NO8E<?JTX42































2012?A

6k>Y6868lO8TXW'O8h



NO8E<












RJ


@ .................................................................................................. 1 2012?ANO8E<`^) .................................................. 3
TX42
NCNO8bB
e+LNO8TX< .................................................................. 5-NCNO8TX< ................................................................. 10P,'IfNCTX< ............................................................. 13[0dNO8TX< ................................................................. 19e*=NO8TX< ................................................................. 25m7SjNO8TX< ............................................................. 299:'o#&(bB9:\NO8TX< ................................................................. 32o#&(NO8TX<....................................................... 36i/K;nNO8TX<........................................................... 439:'[Z7;nNO8TX<............................................... 573VNO8bB
[Z7aTX< ......................................................................... 60FONOTX< ......................................................................... 639:NOTX< ......................................................................... 6817HOaTX< ..................................................................... 72

序2012 年度、物理学教室にとって重大な出来事のひとつとして、新採人事が挙げることができます。長い間、理学研究科では教員定数の削減により、新規採用の人事ができない状
況にありました。この間、教員の平均年齢が年を追うごとに高くなり、若手の割合が非常に少なくなる等、様々な問題が現れていました。2012 年度はようやく削減の完了等のため、新規採用を再開することが可能になり、秋から人事公募が行われました。物理学教室では、基礎物理学講座と物性物理学講座で合わせて 2 件、ともに理論分野の教員の募集を行いました。その結果、2013 年 4 月に、丸信人氏が素粒子論研究室に准教授として、竹内宏光氏
が素励起物理学研究室に講師として赴任されました。新しいスタッフを迎えた、このよい活性化の機会が教室の研究・教育活動のさらに協力的、かつ強力な発展に繋がることを信じています。同時に、新たな体制は教員総数や予算が減った中で進むことになりますので、要所々々で教室として皆の英知を結集し困難にあたることが必要になると思われます。
大阪市立大学にとって最も大きな流れは、大阪府立大学との統合に関する件です。2012
年度には統合にあたり、まず新大学の部局の構成として、理学部、工学部と別に新理工学部を設立するなどの項目を含む案が提出されました。詳細は現在、まだ検討中の段階とのことですが、新大学の理学系は市大と府大の理学研究科を合わせた形になる可能性もあります。そのような場合には、単純和で物理学科の教員数は現在の 1.5 倍程度になり、新制の組織として教室の研究・教育体制を整えて行くことが必要になると思われます。具体的なことは、正式の決定時期や、その後のスケジュールがどのように設定されるかによります
が、2013 年度中には当事者である市大と府大の物理教員間の協議などに入る段階になるかも知れません。いずれにせよ、混迷を極める今日の内外の社会情勢の中でも、結局、 物理に関する深い理解と知識に基づき思考できる人材を育て続けることが、教育面では原点でもあり、重要であると思います。また、研究面では長期的に発展を促進するための視点からも、教員が研究に集中できる時間を十分に確保できるよう、何がしか柔軟性をもった運営あるいはバックアップ体制のある環境の整備が望まれます。
もうひとつの大きな出来事は、建設中である理学研究科新学舎のうち第 1 期分の新棟(C棟)が完成しました。2012 年の夏休みにかけて物理教室の中でも多くの研究室がこの棟へ移動しました。後期の授業から、専門実験や大学院講義なども、C 棟で行われています。また、
第 2 期工事も着々と進んでいるようで、2014 年度の春にはもう一つの棟(B 棟)も完成し、まだ移動していない研究室もそちらへ引っ越すことになります。ここ数年の間に理学部を含む杉本キャンパスのまわりの景色は、変わりつつあります。昨年には、南部陽一郎先生のお名前を冠した JR 杉本町駅へ通じる小道や、杉本町駅の東口が開設され、落ち着きと快適さを兼ね備えた大学らしい雰囲気がまた新たに生まれつつあります。このように、2012
年は様々な面で、大きな変化の流れが改めて実感される 1 年になりました。

1

物理学教室の人事関係では、始めに述べました新採の件のほかに、2012 年度 10 月末に
鈴木正人講師が早期退職されました。これまでの研究・教育活動に関するご貢献に感謝いたしますとともに、今後のご活躍をお祈りいたします。
最後に、本年度年次報告の作成にご尽力いただきました丸信人氏、小原顕氏に感謝いたします。
2013 年 8 月
2012 年度（平成 24 年度）物理学教室主任
小栗 章

2

2012 年度	  物理学教室	
  談話会
談話会委員：石原，清矢，坪田
第 1 回	
  新入生歓迎物理談話会
	  日時	
  2012 年 4 月 12 日	
  15:00～	
  場所	
  学術情報センター10F	  大会議室
	
  講師	
  中野	
  英一	
  氏（宇宙・素粒子実験物理学研究室・准教授）
	  題目	  「加速器で探る宇宙の成り立ち」
第 2 回	
  物理学教室談話会
	  日時	
  2012 年 5 月 11 日	
  15:00～	
  場所	
  2 号館 220A 教室
	  講師 1	  山下	  了	
  氏（東京大学・素粒子物理国際研究センター・准教授）
題目 1	
  「ILC の物理と全体計画」
	  講師 2	  石川	
  明正	
  氏（東北大学・理学研究科・助教）
題目 2	
  「ILC 測定器」
第 3 回	
  大阪市立大学市民向け講演会
	  日時	
  2012 年 7 月 30 日	
  16:00～	
  場所	
  学術情報センター1F	
  文化交流室
	
  講師	
  清矢	
  良浩	
  氏（高エネルギー物理学研究室・教授）	  題目	  「ヒッグス粒子探索研究の最近の進展について」
第 4 回	
  物理学教室談話会
	  日時	
  2012 年 8 月 6 日	  15:00～	
  場所	
  学術情報センター1F	
  文化交流室
	
  講師	
  山本	
  和弘	
  氏（高エネルギー物理学研究室・准教授）
	  題目	  「ヒッグス粒子の発見と新たな物理のはじまり」
第 5 回	
  物理学教室談話会
	  日時	
  2012 年 9 月 7 日	  15:00～	
  場所	
  理学部会議室
	
  講師	
  青木	
  正治	
  氏（大阪大学・理学研究科・准教授）
	  題目	  「J-PARC RCS からのパルス陽子ビームを活用したミューオン電子転換過程の探索実験－DeeMe－」3

第 6 回	  物理学教室談話会
	  日時	
  2012 年 10 月 31 日	
  15:00～	
  場所	
  理学部会議室
	
  講師	
  岡村	
  隆	
  氏（関西学院大学・理工学部・教授）
	  題目	  「Stimulated holographic superconductor」
第 7 回	
  物理学教室談話会
	  日時	
  2012 年 11 月 9 日	  16:00～	
  場所	
  理学部会議室
	
  講師	
  谷畑	
  勇夫（大阪大学・核物理研究センター・教授）
題目	  「核構造理論は宇宙での元素合成を理解できるか？」
第 8 回	
  物理学教室談話会
	  日時	
  2012 年 12 月 19 日	
  13:00～	
  場所	
  理学部第 2 講義室
	
  講師	
  安東	
  正樹（国立天文台重力波プロジェクト推進室・准教授）
	  題目	  「重力波望遠鏡かぐら（KAGRA）が拓く新しい天文学」
第 9 回	
  物理学教室研究発表会
	  日時	
  2012 年 12 月 26 日
	  場所	
  学術情報センター10F	  大会議室
第 10 回	  物理学教室談話会
	  日時	
  2013 年 1 月 16 日	
  15:00～	
  場所	
  2 号館第 1 セミナー室
	
  講師	
  田内	
  利明（高エネルギー加速器研究機構・素粒子原子核研究所・准教授）
	  題目	  「ATF2 プロジェクト」
第 11 回	  修士論文発表会
	  日時	
  2013 年 2 月 7 日
	  場所	
  学術情報センター1F	
  文化交流室4超低温物理学研究室
畑
徹
石川修六
矢野英雄
小原 顕
國松貴之

教 授
教 授
准教授
講 師
ＰＤ

加藤千秋(D3)
木村 豊(D1)

久保博史(M2)
福井敦史(M2)
織田慎平(M1)
松本拓也(M1)
近藤健二(M1)

研究概要
1. ＮＭＲ法によるエアロジェル中での超流動ヘリウム３の新奇界面現象の研究（石川、畑、
福井、近藤）
エアロジェルと呼ばれる物質中では、エアロジェルの構成物であるシリカの細い紐が不純物として働くことが分かっており、液体ヘリウム３の超流動性が抑制される。圧力と温度を調整すると、バルク液体は超流動だが、エアロジェル中はノーマル液体とすることが出来る。バルク液体とエアロジェルとの界面近傍に新しい超流動（“奇周波数クーパー対”）が現れ，帯磁率が増大するという理論予想がある。接合界面での近接効果の一つであり、バルクの凝縮状態（超伝導、超流動）がｐ波軌道対称性をもつときに出現が予想されている普遍的な現象と考えられている。これを調べるため ポロシティ
97.5％の試料セルを作製し、圧力7bar、13bar、22bar、24barでの測定を行った。7bar、
13barでは帯磁率の増大は観測されなかったが、22bar、24barでは増大が観測された。最低温度でさえ、界面近傍のエアロジェル側の狭い領域に存在するノーマル状態がこの現象に関係していると考えられる。
２. 超流動ヘリウム４の量子渦と量子乱流のダイナミクス（矢野、畑、久保、織田）
超流動は、熱エネルギーが奪われた極限の温度で存在する、マクロな量子凝縮相である。超流動の渦（量子渦）は、量子凝縮していない常流動を芯として、その周りを量子化された回転流が流れる構造になる。量子渦は超流動中で途切れることができず、端がない渦環か、端が境界(壁)にある付着渦としてのみ存在する。また超流動の乱流は、流れが量子化されているために、量子渦のみで構成される量子乱流となる。我々は、乱流から放出される渦輪の性質を調べることによって、乱流を構成する渦のダイナミクスを研究している。超流動ヘリウム４の渦芯半径は0.1 nm程度と細く検出は難しいが、渦の付着しない振動ワイヤー法の開発により、放出される渦輪の検出に成功した。この手法
により、乱流から放出される渦輪のサイズは分布し、渦輪直径が0.1 mと非常に小さい渦輪も放出していることを突き止めた（学術論文３）。
４．回転する超流動ヘリウム３の研究（物性研，京大，福井大，岡山大との共同研究）（石川、國松）超流動ヘリウム３―Ａ相は異方的で、クーパー対は固有の軌道角運動量を持つ。異方軸が揃った系での巨視的軌道角運動量の有無は未解決問題であり、その検出を目的として東京大学物性研究所にある超低温度回転クライオスタットを用いてNMR法による共同利用研究を行っている。検出用の試料セルは、直径0.1mmの1本の細い円筒容器である。
この容器内に出来たMermin-Hoテクスチャーを用いて、巨視的軌道角運動量の検出実験を行った。このテクスチャアーの中心部分ではスピン波励起が可能となるNMRポテンシャルが形成される。このポテンシャルの形状は回転角速度に依存する。これはスピン波の共鳴周波数の微小な変化を引き起こすと予想される。実験結果は励起スピン波の共鳴周波数が回転角速度に対して非対称に変化するものであった。その非対称性はまさに巨視的

5軌道角運動量が存在することを示すものであった。
５．寒剤を用いない希釈冷凍機の開発（畑、矢野、小原、石川、松本）
4.5 mＫと世界最低温度を実現したが、パルス管冷凍機一体型であるこのタイプのドライ希釈冷凍機は、微小な振動が完全には除去できないこと、サイズ的にも小さくする
限界があることなどの欠点を有することが判明した。そのため、振動レス、超小型の分離型ドライ希釈冷凍機開発を開始した。振動が一桁大きいがパルス管冷凍機より冷凍能力の大きい値段的にも安いGM冷凍機を用い、三重管サイフォンでヘリウムガスを循環させることにより希釈冷凍機側を８Kまで冷却をすることができ、この温度をベースに希釈冷凍機を稼働させ、５０mKまでの冷却に成功した。今後は、熱交換器の改良によりより低温をめざす。また、分離型でも僅かに残っている振動の除去をめざす。
６．熱音響冷凍機の開発（畑）熱音響冷凍機は、熱エネルギーと音波エネルギーの変換を利用した冷凍機をさす。廃熱の再利用ができること、音波媒体は空気などの安全な気体であること、機械的な可動部がない
ことなどから、長寿命で環境にやさしい未来型の冷凍機（エアコン）として期待されているが、エネルギー変換効率が低く、実際に利用できるレベルには来ていない。一昨年度では初
めて０℃切ったが、蓄冷器の熱交換率を上げるため、耐圧の高い金属製のループ管冷凍機を制作し、作動気体の圧力を上げた。その結果、2.5 MPaの圧力で-5 ℃の温度を実現した。
７．光ハイドロフォンの低温応用（小原）液体ヘリウム４において大振幅の定在波を励起すると、泡の発生を伴う異常な吸収が観測されることが、これまでの研究で明らかにされてきた。ところが、低温液体では肝心の音場の絶対値をリアルタイムに測定する方法がなく、定量的な研究を行うことができていなかった。そこで我々は、本年度より、音場をダイレクトに測定する装置「光ハイドロフォン」の低温への応用に取り組み始めた。ハイドロフォンとは流体の振動圧力を計測するシステムの総称で、一般的にはピエゾ振動子か小型のコンデンサマイクロフォンを利用する。その原理は「フレネルの反射損失」とよばれ、具体的には、端面を９０°に切った光ファイバを直接液体ヘリウム中に差し込み、レーザを直接照射すると、
光ファイバと液体ヘリウムの屈折率の違いにより、一部が界面で反射するという性質を用いる。反射強度から屈折率、屈折率から密度、密度は状態方程式を用いて圧力に変換できる。光学システムは全て光ファイバとファイバカプラを用いて構築され、光は光検
出素子を除いて自遊空間に出ることがないため、既存の冷凍機に新たに追加する形で導入することができるという利点がある。また、液体ヘリウムに限らず、幅広い温度で液体・固体に応用できる、非常に応用性の高い技術である。本年度は基礎的技術を習得し、液体ヘリウムの密度測定に成功した。

教育・研究業績
学術論文
1. ‘Anomalous sound absorption of finite amplitude sound in Liquid 4He’
Journal of Physics: Conference Series 400, 012057(1-4) (2012)
K. Obara, Y. Kimura, H. Yano, O. Ishikawa, M. Tsubota, and T. Hata
2. ‘Generation and detection of vortex rings in superfluid 4He at very low temperature’
Journal of Physics: Conference Series 400, 012085(1-4) (2012)
H. Yano, A. Nishijima, S. Yamamoto, T. Ogawa, Y. Nago, K. Obara, O. Ishikawa, M. Tsubota,
and T. Hata
3. ‘Vortex emission from quantum turbulence in superfluid 4He’
Physical Review B 87, 024511 (2013) (Editors’ Suggestion)

6

4.

5.

6.

7.

Y. Nago, A. Nishijima, H. Kubo, T. Ogawa, K. Obara, H. Yano, O. Ishikawa, and T. Hata
‘Time-of-Flight Measurements of Vortices Emitted from Quantum Turbulence in Superfluid 4He’
Journal of Low Temperature Physics 171, 466-472 (2013)
H. Kubo, Y. Nago, A. Nishijima, K. Obara, H. Yano, O. Ishikawa, and T. Hata
‘Enhancement of Magnetization in Liquid 3He at Aerogel Interface’
Journal of Low Temperature Physics 171, 245-250 (2013)
A. Fukui, K. Kondo, C. Kato, K. Obara, H. Yano, O. Ishikawa, and T. Hata
‘Textures of Rotating Superfluid He-3-A in a Single Narrow Cylinder’
Journal of Low Temperature Physics 171, 280-286 (2013)
T. Kunimatsu, H. Nema, R. Ishiguro, M. Kubota, T. Takagi, Y. Sasaki, and O. Ishikawa‘Propagation of Quantized Vortices Driven by an Oscillating Sphere in Superfluid He-4’
Journal of Low Temperature Physics 171, 519-525 (2013)
A. Nakatsuji, M. Tsubota and H. Yano

国際会議講演
1. T. Kunimatsu「Texture of Rotating Superfluid 3He-A phase in a single narrow cylinder」(Poster)
QFS2012: International Conference on Quantum Fluids and Solids, 15 – 21 August 2012, Physics
Department, Lancaster University, UK
2. A. Fukui「Enhancement of Magnetization in Liquid 3He at Aerogel Interface」
QFS2012: International Conference on Quantum Fluids and Solids, 15 – 21 August 2012, Physics
Department, Lancaster University, UK
3. O. Ishikawa「Investigation of intrinsic angular momentum in rotating superfluid 3He-A phase」(Invited Talk)
QFS2012: International Conference on Quantum Fluids and Solids, 15 – 21 August 2012, Physics
Department, Lancaster University, UK
4. H. Yano「Vortex emission from quantum turbulence generated by a vibrating wire in superfluid4He」(Invited Talk)
QFS2012: International Conference on Quantum Fluids and Solids, 15 – 21 August 2012, Physics
Department, Lancaster University, UK
5. K. Obara 「Acoustic Observation of Textural Transition of Superfluid 3He-A in Slab」(Poster)
QFS2012: International Conference on Quantum Fluids and Solids, 15 – 21 August 2012, Physics
Department, Lancaster University, UK
6. Y. Kimura「Anomalous Acoustic Absorption in Liquid Helium」(Poster)
QFS2012: International Conference on Quantum Fluids and Solids, 15 – 21 August 2012, Physics
Department, Lancaster University, UK
7. H. Kubo 「Time-of-flight Measurements of Vortex Rings Emitted from Quantum Turbulence inSuperfluid 4He」(Poster)
QFS2012: International Conference on Quantum Fluids and Solids, 15 – 21 August 2012, Physics
Department, Lancaster University, UK
8. O. Ishikawa「NMR Study on Mermin-Ho Texture in Rotating Superfluid 3He-A」（invited talk）
International conference on topological quantum phenomena, 16–20 May 2012, Nagoya
University
9. T. Kunimatsu「Texture of 3He-A phase in a narrow cylinder」（poster）
International conference on topological quantum phenomena, 16–20 May 2012, Nagoya
University
10. A. Fukui「Enhancement of Magnetization in Liquid 3He at Aerogel Interface」（poster）
International conference on topological quantum phenomena, 16–20 May 2012, Nagoya
University
11. K. Kondo「Half-Quantum Vortices in Thin Film of Superfluid 3He」（poster）

7

International conference on topological quantum phenomena, 16–20 May 2012, Nagoya
University
学会・研究会講演
1. 福井敦史：「超流動3He-Bに接するエアロジェル界面での帯磁率の増大」
日本物理学会 2012年秋季大会（横浜国立大）2. 國松貴之：「細い円筒容器中の回転超流動ヘリウム3-A相におけるNMR測定」
日本物理学会 2012年秋季大会（横浜国立大）
3. 加藤千秋：「磁場による平行平板中超流動3He-Aの織目構造の変化II」
日本物理学会 2012年秋季大会（横浜国立大）
4. 織田慎平：「超流動4He中の常流体による量子渦環の飛行への影響」
日本物理学会 2012年秋季大会（横浜国立大）
5. 矢野英雄：「量子乱流から放出される量子渦環」（シンポジウム講演）
日本物理学会 2012年秋季大会（横浜国立大）6. 近藤健二：「流動3He-Bに接するエアロジェル界面での帯磁率の増大の検証」
日本物理学会 第68回年次大会（広島大学）
7. 小原 顕：「液体ヘリウム用・光学ハイドロフォンの開発(I)」日本物理学会 第68回年次大会（広島大学）
8. 織田慎平：「振動ワイヤーによる超流動4He乱流からの渦環放出」
日本物理学会 第68回年次大会（広島大学）
9. 國松貴之：「細い円筒容器中の回転超流動ヘリウム3-A相におけるNMR測定II」
日本物理学会 第68回年次大会（広島大学）
10. 國松貴之：「Mermin-Ho渦の安定性と固有角運動量の検出」第9回集中連携研究会「異方的超流体でのトポロジカル量子渦」2012/Sep/1 大阪市立大学
11. 國松貴之：「回転超流動3He-A相における固有角運動量の研究」
第10回集中連携研究会「トポロジカル超伝導・超流動」
2012/Dec/13～2012/Dec/14 大阪大学産業科学研究所

学位論文
修士論文
1. 久保博史：「振動物体が作る超流動4He乱流からの渦環放出」
2. 福井敦史：「超流動 3He-B に接するエアロジェル界面での帯磁率増大」研究助成金取得状況
1. 石川修六：新学術領域研究「対称性の破れた凝縮系におけるトポロジカル量子現象」
計画研究「スピン三重項超流動体の新奇界面現象」 ２０１２年度分 １，４０６万円
2. 小原 顕：日本学術振興会・科学研究費若手研究（B）「光ハイドロフォンを用いた量子液体中の音響タブレンスの実験」
２０１２年度分
２６０万円
3. 矢野英雄：日本学術振興会・科学研究費基盤研究（B）「超流動ヘリウム４量子渦の慣性質量と波動の研究」 ２０１２年度分４９４万円
4. 矢野英雄：日本学術振興会・科学研究費挑戦的萌芽研究「超流動ヘリウム回転流をつくる超伝導モーターの開発」２０１２年度分２４７万円

海外出張および海外研修
1.
2.

石川修六：QFS2012: International Conference on Quantum Fluids and Solids, 15 – 21 August
2012, Physics Department, Lancaster University, UK
矢野英雄：QFS2012: International Conference on Quantum Fluids and Solids, 15 – 21 August

8

3.
4.
5.
6.
7.

2012, Physics Department, Lancaster University, UK
小原 顕：QFS2012: International Conference on Quantum Fluids and Solids, 15 – 21 August
2012, Physics Department, Lancaster University, UK
國松貴之：QFS2012: International Conference on Quantum Fluids and Solids, 15 – 21 August
2012, Physics Department, Lancaster University, UK
木村 豊：QFS2012: International Conference on Quantum Fluids and Solids, 15 – 21 August
2012, Physics Department, Lancaster University, UK
久保博史：QFS2012: International Conference on Quantum Fluids and Solids, 15 – 21 August
2012, Physics Department, Lancaster University, UK
福井敦史：QFS2012: International Conference on Quantum Fluids and Solids, 15 – 21 August
2012, Physics Department, Lancaster University, UK

その他
高大連携
1.
2.
3.

小原：大阪市立大手前高校サイエンス探究発表会 (7/14)
畑：SSH 三国ヶ丘高校 講演と研究室見学（7/31）
畑：大阪市立東高校、研究室見学（12/14）9光物性物理学研究室
鐘本勝一 准教授

小林 尚子 (M2)
堂本 真也 (M1)

太田 往宏 (M2)木村 圭吾 (M1)
中谷 仁美 (B4)

竹本 圭佑 (M2)高橋 崇寛 (M1)研究概要
1. π共役ポリマー：フラーレン複合体太陽電池におけるキャリア注入効果の研究（太田、鐘本）
これまで、π共役ポリマーとフラーレンの混合物は、太陽電池への応用を目指した研究が盛んに行われてきた。太陽電池として動作する場合、光キャリアが生成すると同時に、
印加バイアスに応じてキャリアが外部から注入され、キャリアの振る舞いを正確に追跡することが困難になる。本研究では、素子動作と分光技術を融合させたデバイス変調分光を
同太陽電池に適用し、注入キャリアの効果のみを独立に調べた。その結果、まず、キャリア注入の動的過程を実験的に観測する手法の開発に成功した。その方法を用いて、注入キ
ャリアの一部が光キャリアと再結合を起こし、それにより太陽電池の効率が低下している
ことを明らかにすることができた。
2. π共役ポリマー：CdSe量子ドット複合体太陽電池に対する分光研究（小林、鐘本）
近年、π共役ポリマーとフラーレンの混合物からなる太陽電池が基礎・応用の両面において研究されているが、最近、フラーレンの移動度を高めることを目指して、π共役ポリ
マーと量子ドットからなる太陽電池にも関心が集まっている。この太陽電池はπ共役ポリ
マーからホール、量子ドットから電子が光励起により生成することで動作するが、光励起後の電荷分離過程の機構は未だ不明な点が多い。本研究では、光励起吸収分光法(PIA)及び、デバイス動作と分光を融合させたデバイス変調吸収分光法(DM)を用いて、π共役ポ
リマー/CdSe 量子ドット複合体太陽電池における光キャリア生成過程のメカニズムについて考察を行った。その結果、まず、光キャリアは電極をつけて素子化するとともに、高速に消失することを明らかにした。また、素子性能が向上するに従い、その消失が顕著であることがわかった。これは電極との接触自体が、素子性能の低下を引き起こす可能性を有していることを示す初めての結果である。
3. ESRにより発生する分極電流の機構解明（竹本、鐘本）
最近、有機半導体のスピントロニクス素子への応用に期待が集まっているが、なかでも電子スピン共鳴法(ESR)により、電子スピンを磁場と電磁波で操作し、強磁性体電極なし
でデバイスの電流量を制御する試みが報告され、注目を集めつつある。本研究では、ESRによる電流発生には、物質中のトラップ電子が影響しているのではないかと考え、トラッ
プ電子数が周りの環境に依存しやすい有機半導体を用いたデバイスに着目した。その結果、ESRによる電流変化が比較的大きな系を発見し、その電流変化の起源を考察し、分極電流と同定した。この分極電流は、スピン反転によって誘起されるため、新たなスピントロニ
クス素子としての可能性を秘めている。実際にその応用性を検討する意味で、パルスESRとの融合により、その高速応答性を調べ、実際に、分極電流が高速に発生することを確認できた。
4. 有機半導体デバイスの素子動作におけるスピンペアの役割の解明(木村、鐘本)
近年、有機ELや有機薄膜太陽電池などの有機半導体デバイスの研究開発がさかんに行われているが、それら物性を担っているのは、素子内で生成した励起子やキャリアであ10る。そのため有機デバイスの物性は、励起子とキャリアのみに焦点をあてて調べられてきたが、最近の研究では、異なる分子間においてキャリア同志が結合したスピンペアという中間状態が素子動作時に発生し、その動作に影響を及ぼすとして注目を集めている。
本研究では、電圧印加下での発光（EL）並びに電流の電子スピン共鳴（ESR）時の応答を観測することにより、励起子とスピンペア、並びにキャリアとスピンペアの相関について調べた。その結果、励起子とキャリアそれぞれはスピンペア状態と強く相関しており、その相関がEL動作下の物性に大きく関与することが明らかとなった。
5. 分光信号の時間応答から見る色素増感太陽電池の動作機構(堂本、鐘本)
色素増感太陽電池（DSC）は、低コストでの生産が可能な次世代太陽電池として注目されてきた。これまで基礎・応用の両面で盛んに研究が行われてきたが、未だに動作機構に関して不明な点が存在し、その解明が実用化に向けての課題となっている。そこで我々はDSC素子に対し、主に光誘起吸収（PIA）分光法を用いた研究を行った。その結果として、色素に由来すると思われる長寿命なPIA信号を観測した。特に、PIA法と定電圧印加を組み合わせた実験を行い、その信号が、素子内部において色素が電場を受ける
ことによって生じていることを明らかにした。

教育・研究業績
学術論文
1. K. Kanemoto, A. Fukunaga, M. Yasui, D. Kosumi, H. Hashimoto, H. Tamekuni, Y. Kawahara,
Y. Takemoto, J. Takeuchi, Y. Miura, Y. Teki, “Ultrafast photoexcitation dynamics of
-conjugated bodipy-anthracene-radical triad system: electron transfer, energy transfer andcharge-separated ion-pair state toward a uniquely electron-polarized photo-excited quartet state”
RSC Advances, 2, pp. 5150-5153 (2012).
2. K. Kanemoto, H. Matsuoka, Y. Ueda, K. Takemoto, K. Kimura, H. Hashimoto,“Displacement current induced by spin resonance in air-treated conjugated polymer diodes”
Physical Review B, 86, pp.125201-1-5 (2012).
3. K. Kanemoto, S. Domoto, Y. Ohta, A. Ogata, H. Hashimoto, “Spectroscopic investigation of
charge injection process in the bulk-heterojunction P3HT:PCBM solar cell”,
Physica Status Solidi (c), 9, 2395-2398 (2012).
国際会議講演1. K. Kanemoto, S. Domoto, Y. Ohta, A. Ogata, H. Hashimoto, “Spectroscopic Investigation ofCharge Injection Process in the Bulk-Heterojunction P3HT:PCBM Solar Cell” 5th International
Conference on Optical, Optoelectronic and Photonic Materials and Applications, June 3-7, 2012,
Nara, Japan.
2. K. Kanemoto and S. Domoto, Spectroscopic investigations on Stark components observed inphotoinduced absorption measurements for dye-sensitized solar cells, 10th International
Conference on Nano-Molecular Electronics (ICNME2012), Awaji Island, Japan. 12-14 December
2012.
学会・研究会講演1. 鐘本勝一「ESR 遷移によって誘起される有機半導体ダイオードにおける分極電流」分子研セ
ミナー：レーザー分光および磁気測定による分子構造探求の新展開、分子科学研究所（2012.
7.30-31）
2. 小林尚子、鐘本勝一、橋本秀樹「π共役ポリマー/CdS複合体太陽電池における光キャリア
生成過程の分光研究」2012年秋季大会、横浜国立大学（2012.9.18-21）
3. 木村圭吾、鐘本勝一「低分子材料系有機EL素子のESR応答」電子スピンサイエンス学会20

11

12、札幌コンベンションセンター（2012.11.1-3）
4. 竹本圭佑・鐘本勝一・上田裕二郎、「有機半導体素子のESRにより発生する分極電流の機
構解明」電子スピンサイエンス学会2012、札幌コンベンションセンター（2012.11.1-3）
5. 堂本真也, 鐘本勝一 「色素増感太陽電池の光誘起吸収スペクトルに現れるStark成分」第23回光物性研究会、大阪市立大学（2012.12.7-8）
6. 小林尚子, 鐘本勝一, 橋本秀樹 「π共役ポリマー:CdSe複合型太陽電池における光キャリ
ア生成過程の分光研究」第23回光物性研究会、大阪市立大学（2012.12.7-8）
7. 太田往宏, 鐘本勝一「有機薄膜太陽電池の素子動作におけるキャリア注入効果の検証」第23回光物性研究会、大阪市立大学（2012.12.7-8）
8. 竹本圭佑, 鐘本勝一「有機半導体の光励起ESRにより発生する分極電流の機構解明」第23回光物性研究会、大阪市立大学（2012.12.7-8）
9. 太田往宏、鐘本勝一「P3HT:PCBMバルクヘテロ素子におけるダイオード特性の分光観測」
日本物理学会第68回年次大会，広島大学（2013.3.26-29）
10. 堂本真也、鐘本勝一「色素増感太陽電池の光誘起吸収スペクトルに現れるStark成分」第６０回応用物理学会春季学術講演会、神奈川工科大学（2013.3.27-30）
その他
1. 鐘本勝一：「スピン緩和の基礎と動的スピン系への展開」 2012年7月21-23日
ＥＳＲ夏の学校において講師、ＡＮＡホリディ・イン仙台

第１０回

学位論文
修士論文
1. 太田往宏：「有機薄膜太陽電池の素子動作におけるキャリア注入効果の研究」
2. 小林尚子：「π共役ポリマー:量子ドット複合型太陽電池における光キャリア生成過程の分光研究」
3. 竹本圭佑：「電子スピン共鳴により有機半導体中に発生する分極光電流に関する研究」
研究助成金取得状況
1. 鐘本勝一（代表）科学研究費補助金、挑戦的萌芽研究 「線形アップコンバージョン発光を利用したエネルギー生成の実現と太陽電池への展開」100万円
2. 鐘本勝一（代表）平成24年度戦略的萌芽研究（大阪市立大学）「素子動作との融合計測による分子レベル評価技術を利用した実用有機系太陽電池の実現」129万円

12生体・構造物性研究室
橋本 秀樹
南後 守
杉﨑 満
藤井 律子
小澄 大輔
須貝 祐子

教授
特任教授
准教授
特任准教授
特任准教授
特任助教

堀部 智子
浦上 千藍紗
井上 和亮
千住 直輝
長岡 悠也
米田 一史
重松 佑典
田宮 優大
繁昌 航平
三野 耕平
北	
  翔兵
城田 真裕
福田 	
  悠

(D3)
(D1)
(M2)
(M2)
(M2)
(M1)
(M1)
(M1)
(M1)
(M1)
(B4)
(B4)
(B4)

研究概要
1. 生体組織中におけるカロテノイドの共鳴ラマン顕微観測（浦上，橋本）
近年，アスタキサンチンが持つ強い抗酸化作用が注目されている．特に，アスタキサン
チンを表皮に塗布すると真皮に浸透することにより，抗光老化に役立つものと期待されている．そこで，顕微分光システムを構築し，ラットの皮膚に塗布したアスタキサンチンが三次元的に浸透していく様子を共鳴ラマン顕微分光法により観測を行った．その結果，アスタキサンチンが数時間から１日程度で真皮に到達していくことが明らかとなった．生体
組織中をカロテノイドが分散していく様子を調べる上で，共鳴ラマン顕微分光法が非常に有効であることを示した（論文[1]）．
2. 光合成アンテナ系色素タンパク複合体に結合したカロテノイドのStark分光（堀部，藤井，
南後，橋本）
紅色光合成細菌Rhodospirillum rubrumより抽出したLH1サブユニットと，単離精製を行った全トランス型spirilloxanthinを用いて再構成を行ったLH1を用いて，Stark吸収分光測定を行った．得られた結果よりLiptayの理論式を用いて，印加電場に対する遷移双極子モーメ
ントと分極率変化の角度依存性を算出した．spirilloxanthinは対称的な分子構造を有するが，誘起双極子モーメントの影響を受けた結果，大きなΔµを持つことが分かった．更に，天然のLH1と再構成を行ったLH1とでは，遷移双極子モーメントと分極率変化の角度依存性に僅かな違いがあることが分かった．このことは，天然のLH1複合体に結合したspirilloxanthinにおいては僅かな形状変化が起こり，その結果，非対称性が生じるものと考えられる（論文[2]）．
3. カロテノイドのコヒーレント分子振動の発生（杉﨑，小澄，橋本）
カロテノイドの基底状態のコヒーレント分子振動の様子を3パルス四光波混合法により調べた．励起パルス間の時間間隔を変えると基本振動だけではなく，それらの結合状態を効率的に励起できることを見出した．この現象は従来の理論モデルでは説明することができず，電子の励起状態と分子振動が結合した

13

	
 

	
 

状態を形成することを示唆する結果を得た．複数の超短パルス光を用いることにより，ラマン不活性なモードも効率よく励起することが可能であることが分かった（論文[5]）．
4. Rsp. rubrum S1の新しい中間状態S*および三重項状態の決定（小澄，丸田，堀部，長岡，藤井，杉﨑，橋本）
溶液中，及びRhodospirillum rubrum S1のアンテナ複合体中に結合したspirilloxanthinの過渡吸収分光測定を行った．これまでその存在がよく知られていなかったカロテノイドの中間状態の一つであるS*を，明瞭に観測することができた．また，興味深い結果として，カ
ロテノイドを直接励起したときだけではなく，バクテリオクロロフィルaを励起した時にも，spirilloxanthinの三重項状態が形成されることを見出した．このことにより，有害な一重項酸素の形成が阻止されているものと思われる．なお，S*状態の形成過程を明らかにするためには，さらにほかの分光測定法を導入する必要があることも分かった（論文[7]）．
5. 褐藻類の光合成初期過程における励起エネルギー伝達（小澄，藤井，杉﨑，橋本）
オキナワモズクから抽出したフコキサンチン－クロロフィルa複合体中(FCP)には，カルボニ
ルカロテノイドであるフコキサンチンのみが含まれる．このカロテノイドの特徴的な点は，極性環境中にてICTと呼ばれる状態が現れることである．ICT状態のエネルギー伝達過程における役割を明らかにするために，フェムト秒ポン
プ・プローブ分光測定を行った．FCP中のフコ
キサンチンにおいては，ICTの特徴を持つ吸収帯が低エネルギー側まで広がっているために，ク
ロロフィルaへの効率的なエネルギー伝達を行うことができているとの結論に至った（論文[8]）．

	
 

	
 

教育・研究業績
学術論文
1. C. Uragami, E. Yamashita, A. Gall, B. Robert, and H. Hashimoto, “Application of resonance Raman
microscopy to in vivo carotenoid”, Acta Biochim. Polon., 59, 54-56 (2012).
2. T. Horibe, K. Nakagawa, T. Kusumoto, R. Fujii, R.J. Cogdell, M. Nango, H. Hashimoto, “Polarization
angle dependence of stark absorption spectra of spirilloxanthin bound to the reconstituted LH1complexes using LH1-subunits isolated from the purple photosynthetic bacterium Rhodospirillum
rubrum”, Acta Biochim. Polon., 59, 97-100 (2012).
3. T. Kajikawa, S. Okumura, T. Iwashita, D. Kosumi, H. Hashimoto, and S. Katsumura,“Stereocontrolled total synthesis of Fucoxanthin and its polyene chain-modified derivative”, Organic
Lett., 14, 808 (2012).
4. K. Kanemoto, A. Fukunaga, M. Yasui, D. Kosumi, H. Hashimoto, H. Tamekuni, Y. Kawahara, Y.
Takemoto, J. Takeuchi, Y. Miura, and Y. Teki, “Ultrafast Photoexcitation dynamics of π-conjugatedbodipy-anthracene-radical triad system: electron transfer, energy transfer and charge-separated
ion-pair toward a uniquely electron-polarized photoexcited quartet state”, RSC Advance, 2, 5150-5153(2012).
5. M. Sugisaki, D. Kosumi, K. Saito, R.J. Cogdell, and H. Hashimoto, “Generation of coherently coupledvibronic oscillations in carotenoids”, Phys. Rev. B, 85, 245408 (2012).
6. K. Kanemoto, H. Matsuoka, Y. Ueda, K. Takemoto, K. Kimura, and H. Hashimoto, “Displacement
current induced by spin resonance in air-treated conjugated polymer diodes”, Phys. Rev. B, 86, 125201(2012).

14

7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.

16.

17.
18.

D. Kosumi, S. Maruta, T. Horibe, Y. Nagaoka, R. Fujii, M. Sugisaki, R.J. Cogdell, and H. Hashimoto,“Ultrafast excited state dynamics of spirilloxanthin in solution and bound to core antenna complexes:
identification of the S* and T1 states”, J. Chem. Phys., 137, 064505 (2012).
D. Kosumi, M. Kita, R. Fujii, M. Sugisaki, N. Oka, Y. Takaesu, T. Taira, M. Iha, and H. Hashimoto,“Excitation Energy-Transfer Dynamics of Brown Algal Photosynthetic Antennas”, J. Phys. Chem.
Lett., 3, 2659-2664 (2012).
M. Hirotsu, K. Santo, H. Hashimoto, and I. Kinoshita, “Carbon- and sulfur-bridged diiron carbonyl
complexes containing N,C,S-tridentate legends derived from functionalized dibenzothiophenes:
mimics of the [FeFe]-dydrogenase active site”, Organometallics, 31, 7548-7557 (2012).
T. Yamada, K. Okada, T. Shinada, Y. Ohfune, and H. Hashimoto, “Efficient synthesis ofanhydrorhodovibrin and analogues”, SYNLETT, 20, 2980-2984 (2012).
Y. Maeda, H. Hashimoto, T. Nishioka, “Sulfur containing platinum(II) complexes with N-heterocycliccarben ligands obtained by reactions of a hydrosulfide complex”, Dalton Trans., 41, 12038-12047(2012).
S. Yajima, R.A. Furukawa, M. Nagata, S. Sakai, M. Kondo, K.Iida, T. Dewa, and M. Nango,“Two-dimensional patterning of bacterial light-harvesting 2 complexes on lipid-modified gold
surface”, Appl. Phys. Lett., 100, 233701 (2012).
J. Nakamura, M. Maekawa, and M. Nango, “Peroxide decoloration of azo dyes catalyzed bymanganese chlorophyll derivative in micellar solutions”, Textile Res. J., 83, 1396-1401 (2012).
N. Oka, T. Kusumoto, T. Taira, M. Iha, Y. Shigematsu, R. Fujii, and H. Hashimoto, “Novel mass
production of siphonaxanthin from a green alga, "motsure-miru" (codium intricatum) ”, Carotenoid
Sci., 17, 19-22 (2012).
M. Yamamoto, T. Horibe, Y. Nishisaka, S. Suzuki, M. Kozaki, R. Fujii, M. Doe, M. Nango, K. Okada,and H. Hashimoto, “Reassociation of all-trans-3,4-dihydroanhydrorhodovibrin with LH1 subunits
isolated from Rhodosprillum rubrum: selective binding of all-trans isomer from mixture of cis- andtrans-isomers”, Bull. Chem. Soc. Jpn., 86, 121-128 (2013).
S. Suzuki, Y. Matsumoto, M. Tsubamoto, R. Sugimura, M. Kozaki, K. Kimoto, M. Iwamura, K.
Nozaki, N. Senju, C. Uragami, H. Hashimoto, Y. Muramatzu, A. Konno, and K. Okada,“Photoinduced electron transfer of platinum bipyridine diacetylids linked by triphenylamine- andnaphthaleneimide-derivatives and its application to photoelectric conversion systems”, Phys. Chem.
Chem. Phys., in press (2013).
M.M. Mendes-Pinto, E. Sansiaume, H. Hashimoto, A.A. Pascal, A. Gall, and B. Robert, “Electronic
absorption and ground state structure of carotenoid molecules”, J. Phys. Chem. B, in press (2013).
S. Sakai, T. Noji, M. Kondo, T. Mizuno, T. Dewa, T. Ochiai, Y. Hisanori, S. Ito, H. Hashimoto, and
M. Nango, “Molecular assembly of zinc chlorophyll derivatives by using recombinant light-harvesting
polypeptides with His-tag and immobilization on a gold electrode”, Langmuir, to be accepted (2013).

国際会議講演
1. M. Kondo, T. Dewa, H. Hahimoto and M. Nango, “Artificial photosynthetic antenna: self-assembliesof photosynthetic light-harvesting protein-pigments complexes on electrodes”, International
Symposium on Advanced Biological Engineering 2012, Lijiang waterfall Hotel, Guilin, China,
October 24-29, 2012 (Invited).
2. H. Hashimoto, “Artificial photosynthesis producing solar fuels: importance of proton-assisted
multiple-electron transfer”, 錯体化学会第６２回討論会，ミニ国際シンポジウム，富山大学五幅キャ
ンパス，2012 年 9 月 21-23 日（Plenary Lecture）.
3. H. Hashimoto, “Energy in environmental research in Osaka OCARINA”, First Euro Solar Fuels
Meeting, Buchanan Arms Hotel, Drymen, Scotland UK, October 29-31, 2012 (invited).
4. Y. Sugai, C. Uragami, K. Hanjo, M. Nango, H. Hashimoto, “Detection of energy transfer fromlight-harvesting 2 to light-harvesting 1 in hybrid reconstituted photosynthetic membranes”, 19thInternational SPACC Symposium, Hokkaido University, August 3-4, 2012.
5. M. Kondo, T. Dewa, H. Hahimoto and M. Nango, “Reconstitution of photosynthetic antenna
membrane protein assembly into lipid bilayers and its direct observation using AFM”, Seeing at the
Nanoscale 2012, Wills Memorial Building, Bristol, UK, July 9-11, 2012.
6. O. Yoshimatsu, K. Abe, S. Sakai, T. Horibe, R. Fujii, M. Nango, H. Hashimoto, and M. Yoshizawa,“Dark excited states of carotenoid in light harvesting complex probing with femtosecond stimulated
Raman spectroscopy”, The 18th International Conference on Ultrafast Phenomena, Lausanne,
Switzerland, July 9, 2012.

15

学会・研究会講演1. 須貝祐子，浦上千藍紗，藤井律子，南後守，橋本秀樹，「人工光合成膜の AFM 観察と LH2 から
LH1 へのエネルギー移動」，第 2 回ポルフィリン-ALA 学会年会，東京工業大学，2012 年 4 月 28 日．
2. 藤井律子, 「光合成アンテナの基礎」，第 2 回人工光合成基礎セミナー, ホテル日航豊橋, 豊橋
2012 年 5 月 12 日（依頼講演）．
3. 近藤政晴，天野瑞貴，野地智康，永田衞男，橋本秀樹，天尾豊，出羽毅久，南後守，「高等植物のアンテナ系膜タンパク質－色素複合体の電極上への組織化とその光電流特性」
第 61 回高分子学会年次大会	
  パシフィコ横浜	
  2012 年 5 月 29～5 月 31 日．
4. 酒井俊亮，水野稔久，田中俊樹，橋本秀樹，南後守，出羽毅久，「組み換え LH1 タンパ
ク質とバクテリオクロロフィル誘導体およびカロテノイド色素を用いた LH1 複合体の再構成」，第 61 回高分子学会年次大会，パシフィコ横浜，2012 年 5 月 29～5 月 31 日．
5. 小澄大輔，藤井律子，杉﨑満，伊波匡彦，橋本秀樹，「褐藻類光合成アンテナ FCP におけるエネルギー伝達機構」，第 20 回光合成の色素系と反応中心に関するセミナー，大阪大学豊中キャンパス，2012 年 6 月 30 日～7 月 1 日．
6. 小澄大輔，梶川敬之，奥村智，杉﨑満，勝村成雄，橋本秀樹，「海洋カロテノイドにおける分子内電荷移動の解明と制御」，第 20 回 光合成の色素系と反応中心に関するセミナー，大阪大学豊中キャンパス，2012 年 6 月 30 日～7 月 1 日．
7. 丸田聡，小澄大輔，須貝裕子，藤井律子， 杉﨑 満，高市真一，橋本秀樹，「紅色光合成細菌由来
周辺アンテナにおける新たなエネルギー散逸機能」，第 20 回 光合成の色素系と反応中心に関するセミナー，大阪大学豊中キャンパス，2012 年 6 月 30 日～7 月 1 日．
8. 長岡悠也，小澄大輔，藤井律子，杉﨑 満，橋本秀樹，「リング状に会合した光合成細菌アンテナ系
における励起子状態ダイナミクス」，第 20 回 光合成の色素系と反応中心に関するセミナー，大阪大学豊中キャンパス，2012 年 6 月 30 日～7 月 1 日．
9. 藤井律子，重松佑典，伊波匡彦，橋本秀樹，「褐藻類オキナワモズク由来の光合成アンテナに結合するフコキサンチンの解離温度」，第 20 回 光合成の色素系と反応中心に関するセミナー，大阪大学豊中キャンパス，2012 年 6 月 30 日～7 月 1 日．
10. 藤井律子，千住直輝，市村彰男，伊波匡彦，橋本秀樹，「海洋性光合成アンテナ色素クロロフィル cの解離定数」，第 20 回 光合成の色素系と反応中心に関するセミナー，大阪大学豊中キャンパス，2012 年 6 月 30 日～7 月 1 日．
11. 重松佑典，藤井律子，岡直宏，伊波匡彦，橋本秀樹，「深所型緑藻モツレミル由来の光合成アンテ
ナの精製」，第 20 回 光合成の色素系と反応中心に関するセミナー，大阪大学豊中キャンパス，2012 年 6 月 30 日～7 月 1 日．
12. 重松佑典，藤井律子，岡直宏，伊波匡彦，橋本秀樹，「海中に生息する緑藻の光合成アンテナ蛋白質におけるシフォナキサンチンの役割」，日本藻類学会第３６回大会，北海道大学，札幌，2012 年 7月 13 日～15 日．
13. 岡直宏，平良寛進，楠本利行，伊波匡彦，重松佑典，藤井律子，橋本秀樹，「モツレミル大量培養によるシフォナキサンチンおよび SCP の生産について」，日本藻類学会第３６回大会，北海道大学，
札幌，2012 年 7 月 13 日～15 日．
14. 須貝祐子，浦上千藍紗，繁昌航平，南後守，橋本秀樹，「人工光合成膜における LH2 から LH1 へのエネルギー移動の検出」，第６回バイオ関連化学シンポジウム，北海道大学，2012 年 9 月 6～8
日．
15. 川上恵典, 藤井律子, 梅名泰史, 小澤真一郎, 高橋裕一郎, 橋本秀樹, 神谷信夫, 沈建仁，
「酸素発生光化学系 II 複合体における β-クリプトキサンチンの同定」，第 26 回カロテノイド研究談話会，函館国際ホテル，函館，2012 年 9 月 13～9 月 14 日．
16. 浦上千藍紗，橋本秀樹，「カロテノイドの吸収スペクトルの理論シミュレーション」，第26 回カロテノイド研究談話会，函館国際ホテル，函館，2012 年 9 月 13～9 月 14 日．
17. 吉松織優，阿部健太，酒井俊亮，堀部智子，藤井律子，南後守，橋本秀樹，吉澤雅幸，「フェムト秒誘導ラマン分光による光合成色素蛋白複合体内のカロテノイドの研究」, 第 26
回カロテノイド研究談話会，函館国際ホテル，函館，2012 年 9 月 13～9 月 14 日．

16

18. 祖父江和樹，阿部健太，酒井俊亮，南後守，橋本秀樹，吉澤雅幸，「再会合光合成色素蛋
白複合体における励起光波長依存性の精密測定」, 第 26 回カロテノイド研究談話会，函館国際ホテル，函館，2012 年 9 月 13～9 月 14 日．
19. 長岡悠也，小澄大輔，藤井律子，杉崎満, 橋本秀樹，「紅色光合成細菌アンテナにおける励起子ダイナミクス」，日本物理学会 2012 年秋季大会，横浜国立大学常盤台キャンパス，横浜，2012 年 9 月 18～9 月 21 日．
20. 森田弘平，阿部健太，橋本秀樹，吉澤雅幸，「回折格子により群速度分散を最適化した広帯域フェムト秒プローブ光の評価とその応用」，日本物理学会 2012 年秋季大会，横浜国立大学常盤台キャンパス，横浜，2012 年 9 月 18～9 月 21 日．
21. 堀部智子，小澄大輔，藤井律子，Qian Pu，C.N. Hunter，橋本秀樹，「光捕集色素蛋白複合体に結合するカロテノイドに対する Stark 分光及び分子軌道計算を用いた構造解析」，日本物理学会 2012
年秋季大会，横浜国立大学常盤台キャンパス，横浜，2012 年 9 月 18～9 月 21 日．
22. 酒井俊亮，水野稔久，葛谷廣太郎，中島彩乃，田中俊樹，橋本秀樹，出羽毅久，南後 守，「組み換えタンパク質を用いた光合成アンテナ色素複合体の組織化とその光電流特性」，
第 61 回高分子討論会，名古屋工業大学，2012 年 9 月 19～9 月 21 日．
23. 近藤政晴，天野瑞貴，角野歩，野地智康，橋本秀樹，天尾豊，出羽毅久，南後守，「光合
成膜タンパク質の脂質二分子膜への導入と基板上での光電流特性」, 第 61 回高分子討論会，名古屋工業大学，2012 年 9 月 19～9 月 21 日．
24. 藤井律子, 「褐藻類の光合成アンテナに結合した色素の構造と機能の解明」，人工光合成フォーラ
ム 2012〜夢の技術の事業化をめざす〜 第１回, 大阪産業創造館, 大阪，2012 年 10 月 15 日（依頼講演）．
著書
1. 浦上千藍紗，橋本秀樹，“アスタキサンチンの機能と応用”，監修：吉川敏一，内藤裕二，シーエム
シー出版 (2012) pp. 15-28，第２章１「カロテノイドの生理機能と存在意義：構造的に見たアスタキサ
ンチンの優位性」
解説
1. 藤井律子，「褐藻類の光合成アンテナに結合した色素の構造と機能 Structure and function of thepigments bound to the photosynthetic light-harvesting protein from brown algae」，化学工業 9 (2012)
pp.12-18.
特許
1. 橋本秀樹，溝口律子，伊波匡彦，岡直宏，楠本利行,「色素結合型タンパク質およびその製造方法」，特願 2012-136894，提出日 H24 年 6 月 18 日.

学位論文
修士論文
1. 井上和亮：「新規有機非線形光学結晶の開発と二次非線形光学特性の評価」．
2. 千住直輝：「海洋光合成アンテナ色素クロロフィルcの光励起状態の光学特性」．
3. 長岡悠也：「紅色光合成細菌アンテナにおけるバクテリオクロロフィルの励起状態ダイナミクス」．

研究助成金取得状況
1.
2.

橋本秀樹：科学技術振興機構・CREST「光合成初期反応のナノ空間光機能制御」2,000万円．
橋本秀樹：Human Frontier	
 Science Program, “Understanding supramolecular architectures in

17

3.
4.
5.
6.
7.

photosynthesis by space and time resolved spectroscopy”, 950万円．
橋本秀樹：新学術領域研究「人工光合成による太陽光エネルギーの物質変換：実用化に向けての異分野融合」総括班・計画班，300万円．
杉﨑満：学術振興会・基盤研究B「可視二次元分光技術の確立と光合成励起エネルギーフ
ローの人為操作」160万円．
杉﨑満：学術振興会・挑戦的萌芽研究「時間分解超解像度顕微分光法による光合成膜内で指向性を持つ励起エネルギー流の可視化」50万円．
藤井律子：科学技術振興機構・さきがけ「褐藻類の光合成アンテナに結合した色素の構
造と機能の解明」1,091万円．
藤井律子：学術振興会・若手研究A「海洋性光合成色素クロロフィルcの生体及び色素増感太陽電池における光励起状態の解明」580万円．

海外出張および海外研修
1.
2.
3.
4.
5.

橋本秀樹：英国， 2012年10月28日～11月4日，Glasgow Solar Fuels Meeting に出席・講演、およびグラスゴー大学のCogdell博士の研究室にて研究の現状報告・意見交換を行うため．
橋本秀樹：米国，2013年1月5日～1月14日，2013年度カロテノイドに関するゴードン国際会
議での発表と Paul S. Bernstein博士と今後のカロテノイド研究についての討議・打ち合わせ．
橋本秀樹：イタリア，2013年2月17日～2月24日，「人工光合成膜内における励起エネルギ
ー移動についての顕微時間分解分光計測」の最終実験と成果討論のため．
杉﨑満：カナダ，2012年5月29日～6月3日，トロント大学ナノテクノロジー研究所において共同研究を行うため．
杉﨑満：カナダ，2012年8月1日～2013年6月1日，トロント大学サニーブルック研究所およびナノテクノロジー研究所において共同研究を行うため．

新聞報道
1.

橋本秀樹：新エネルギー時代 オキナワモズクが原料に，琉球新報 2012 年 2 月 2 日

その他
1.
2.
3.

橋本秀樹：日本カロテノイド研究会幹事役員，Carotenoid Science編集委員長．
橋本秀樹：国際カロテノイド学会Council Member, President．
橋本秀樹：Chemical Physics Letters誌，Advisory Board Member．

18素励起物理学研究室
坪田
鈴木

誠
教授
正人 講師

石野
楠村
林
峯田

隼伍(D1)
拓也(M1)
真佑(M1)
由計(M1)青木
仲辻雄祐(M1)
愛(M1)研究概要
1. スピノールBose-Einstein 凝縮体におけるスピン乱流（坪田、青木）
前年度に引き続き、スピン1スピノール・ボース・ア
インシュタイン凝縮体(BEC)のスピン乱流の研究を行った。スピン乱流が形成され，スピン相互作用エネル
ギーのスペクトルに-7/3の特徴的なべき則が現れたと
き、スピンが乱れつつも時間的に凍結することに着目した。スピンが空間的に乱れるも時間的に凍結する系
として、スピングラスが知られている。そこで、スピ
ングラスを記述する秩序変数qを導入し、スピン乱流の形成とともにqが成長することを見いだした。このような量子乱流において、秩序変数を導入されたのは，この研究が初めてである。
2. 超流動4He熱カウンター流中のトレーサー粒子の速度分布(坪田、峯田)
近年、超流動ヘリウムの分野では，トレーサー粒子を注入して流れ場や量子渦を可視化する実験が行われている。
我々は，微粒子と量子渦の結合ダイナミクスの数値計算を初めて行った。熱カウンター流の状況で微粒子の速度分布を調べて，実験結果と定量的に良い一致を得た。

3. Bose-Einstein凝縮体中でのDomain-Wall対消滅によるタキオン凝縮（坪田）２成分BECにおける界面（ドメイン壁）の対消滅過程で量子渦形成が右
図上のように局在的に起こることを示し、この現象を低次元空間に射影することによりタキオン凝縮として理解できることを理論的に見出した。
この研究では更に踏み込んだ解析を行い、タキオン場の空間構造の時間
発展（右図）が余剰次元（界面に垂直な次元）の影響を受けながらも秩序化動力学の動的ス
ケーリング則に従うことを数値実験により発見した。

19

4. 螺旋せん断超流動の不安定性（坪田、林）
相分離状態ある２成分BECにおける螺旋せん断流の不安定性を理論的に明らかにした．右図のように，円筒界面の外側を占める凝縮体成分が量子渦を中央に保有し，その渦芯を埋める形でもう片方の凝縮体成分が渦芯に沿って流れを持つ
場合，界面に沿って螺旋状にせん断流が生じる．円筒の半径が十分大きい場合，平坦な界面の場合の解析が適用できるため，界面の不安定性はケルビン・ヘルムホルツ（KH）不安定性でよく説明される．しかし，円筒の半径が十分小さい極限
では，界面（面欠陥）の性質は失われて量子渦（線欠陥）の性質に支配された不安定性を引き起こす（渦芯流の不安定性）．本研究では， 円筒状界面の半径を変化させることにより螺旋せん断流の不安定性におけるKH不安定性と渦芯流の不安定性のクロスオーバーが明らかになった．

教育・研究業績＜学術論文＞
1.

Makoto Tsubota, Michikazu Kobayashi, Hiromitsu Takeuchi
Quantum hydrodynamics
Physics Reports 522, 191-238 (2013); arXiv:1208.0422v1.
2. Hiromitsu Takeuchi, Kenichi Kasamatsu, Makoto Tsubota and Muneto Nitta
Tachyon Condensation Due to Domain-Wall Annihilation in Bose-Einstein Condensates
Phys. Rev. Lett. 109, 245301 (2012);arXiv:1205.2330v1.
3. Shinsuke Hayashi, Makoto Tsubota, Hiromitsu Takeuchi
Instability Crossover of Helical Shear-flow in Segregated Bose-Einstein Condensates
Phys. Rev. A 87, 063628 (2013); arXiv:1304.5143v1.
4. Y. Mineda, M. Tsubota, Y. A. Sergeev, C. F. Barenghi, and W. F. Vinen
Velocity Distributions of Tracer Particles in Thermal Counterflow in Superfluid 4He
Phys. Rev. B 87, 174508 (2013); arXiv:1302.1250v1.
5. Muneto Nitta, Kenichi Kasamatsu, Makoto Tsubota and Hiromitsu Takeuchi
Creating vortons and three-dimensional skyrmions from domain wall annihilation with stretched
vortices in Bose-Einstein condensates
Phys. Rev. A 85, 053639 (2012);arXiv:1203.4896v1.
6. Kazuya Fujimoto and Makoto Tsubota
Spin Turbulence in a Trapped Spin-1 Spinor Bose-Einstein Condensate
Phys. Rev. A 85, 053641 (2012);arXiv:1204.0619v1.
7. Kazuya Fujimoto and Makoto Tsubota
Counterflow instability and turbulence in a spin-1 spinor Bose-Einstein condensate
Phys. Rev. A 85, 033642 (2012).
8. H Yano, A Nishijima, S Yamamoto, T Ogawa, Y Nago, K Obara, O Ishikawa, M Tsubota and T
Hata
Generation and detection of vortex rings in superfluid 4He at very low temperature
Journal of Physics: Conference Series 400 (2012) 012085 doi:10.1088/1742-6596/400/1/012085
9. Takuya Kusumura, Makoto Tsubota, Hiromitsu Takeuchi
Formation of Quantum Turbulence from Dark Solitons in Atomic Bose-Einstein Condensates
Journal of Physics: Conference Series 400 (2012) 012038 doi:10.1088/1742-6596/400/1/012038
10. Shinji Yamamoto, Makoto Tsubota, W. F. Vinen
Time-development of energy spectra in the simulation of quantum turbulence
Journal of Physics: Conference Series 400 (2012) 012075 doi:10.1088/1742-6596/400/1/012075

20

11. Shungo Ishino, Makoto Tsubota, Hiromitsu Takeuchi
Vortex Nucleation and Transition to Turbulence in two-component Bose–Einstein condensates
Journal of Physics: Conference Series 400 (2012) 012022 doi:10.1088/1742-6596/400/1/012022＜著書＞
1. M. Tsubota, K. Kasamatsu, M. Kobayashi
Quantized vortices in superfluid helium and atomic Bose-Einstein condensatesin Novel Superfluids Volume 1( eds. K.H.Bennemann and J. B. Ketterson) ,pp.156-252 ,Oxford University Press, 2013.
2. M. Tsubota, K. Kasamatsu
Quantized Vortices and Quantum Turbulencein Physics of Quantum Fluids (eds. A. Bramati and M. Modugno) , pp. 283-299, Springer, 2013

＜学術講演＞（国 際会 議 ）1. Kazuya Fujimoto
Spin turbulence in spin-1 spinor Bose-Einstein condensate(Invited)
Miniworkshop on the Turbulent and Glassy States in Spinor Bose-Einstein Condensates, Tsinghua
University ,Taiwan, 5.28. 2013.
2. Makoto Tsubota
Quantum Hydrodynamics and Turbulence in atomic Bose-Einstein condensates(Invited)
FINESS-2013, Queenstown,New Zealand, 2.16-20. 2013.
3. Makoto Tsubota
Two-dimensional quantum turbulence:Energy spectra and the correlation functions ofvortices(Invited)
Frontiers of Quantum Turbulence, Queenstown,New Zealand, 2.16. 2013.
4. Makoto Tsubota
Quantized Vortices and Quantum Turbulence(Invited)
Vortex Theory Now ‒ Frontiers of Mathematical Physics, Toyonaka Campus, Osaka University,
Osaka, 10.6. 2012.
5. Makoto Tsubota
Quantum hydrodynamics and turbulence in multicomponent Bose-Einstein condensates(Invited)
Novel Phenomena in Multi-Condensate Superconductors, Superfluids, and Ultracold Gases,
Switzerland, 8.26-30. 2012.
6. A. Nakatsuji, M. Tsubota, and H. Yano
Propagation of quantized vortices driven by an oscillating sphere in superfluid 4He
QFS2012: International Conference on Quantum Fluids and Solids, Lancaster, UK, 8.15-21. 2012.
7. Y. Aoki and M. Tsubota
Spin turbulence made by the oscillating magnetic field in a spin-1 spinor Bose-Einsteincondensate
QFS2012: International Conference on Quantum Fluids and Solids, Lancaster, UK, 8.15-21. 2012.
8. Y. Mineda, M. Tsubota, and W.F. Vinen
Decay of Counterflow Quantum Turbulence in Superfluid 4He
QFS2012: International Conference on Quantum Fluids and Solids, Lancaster, UK, 8.15-21. 2012.
9. S. Hayashi, S. Ishino, M. Tsubota, and H. Takeuchi
Helical shear-flow instability in the phase-separated two-component Bose-Einstein Condensates
QFS2012: International Conference on Quantum Fluids and Solids, Lancaster, UK, 8.15-21. 2012.
10. T. Kusumura, M. Tsubota, and H. Takeuchi
Energy spectra of the superfluid velocity made by quantized vortices in two-dimensional quantum
turbulence
QFS2012: International Conference on Quantum Fluids and Solids, Lancaster, UK, 8.15-21. 2012.

21

11. S. Ishino, M. Tsubota, and H. Takeuchi
Instability of overlapped vortices rotating in opposite directions in binary Bose-Einsteincondensates
QFS2012: International Conference on Quantum Fluids and Solids, Lancaster, UK, 8.15-21. 2012.
12. M. Tsubota and K. Fujimoto
Spin Turbulence and the -7/3 Power Law in a Trapped Spin-1 Spinor Bose-Einstein Condensate
QFS2012: International Conference on Quantum Fluids and Solids, Lancaster, UK, 8.15-21. 2012.
13. M. Nitta, K. Kasamatsu, M. Tsubota, and H. Takeuchi
Vortons and 3D skyrmions from domain wall pair annihilations in BECs
QFS2012: International Conference on Quantum Fluids and Solids, Lancaster, UK, 8.15-21. 2012.
14. H. Takeuchi, K. Kasamatsu, M. Tsubota, and M. Nitta
Tachyon Condensation and Brane Annihilation in Bose-Einstein Condensates: Spontaneous
Symmetry Breaking in a Lower-dimensional Subspace
QFS2012: International Conference on Quantum Fluids and Solids, Lancaster, UK, 8.15-21. 2012.
15. Makoto Tsubota
Hydrodynamic instability and turbulence in quantum fluids(Invited)
QFS2012: International Conference on Quantum Fluids and Solids, Lancaster, UK, 8.15-21. 2012.
16. Makoto Tsubota
Quantum turbulence: the interests and the brief research history(Invited)
IUTAM Symposium 2012: "Understanding Common Aspects of Extreme Events in Fluids",
Ireland, 6.30-7.7. 2012.
17. Makoto Tsubota
Quantum hydrodynamics and turbulence in Bose-Einstein Condensates(Invited)
Relaxation, Turbulence, and Non-Equilibrium Dynamics of Matter Fields -RETUNE 2012-,
Heidelberg, Germany, 6.21-24. 2012.
18. Makoto Tsubota
Quantum Hydrodynamics and Turbulence in Bose-Einstein Condensates(Invited)
SIAM Conference on Nonlinear Waves and Coherent Structures, The University of Washington,
Seattle, 6.13-16. 2012.
19. Makoto Tsubota
Decay of Vortex Tangle in Thermal Counterflow(Invited)
Turbulence in Quantum Two-Fluid Systems, Nyuad Downtown Campus, Abu Dhabi, 5.21-23.
2012.
20. Makoto Tsubota
Quantum hydrodynamics and turbulence(Invited)
GCOE symposium, Kyoto University, Kyoto, 2.13-15. 2012.
（国 内会 議 ）21. 坪田 誠
原子気体ＢＥＣで見る量子流体力学(Invited)
第１０回 原子・分子・光科学(AMO)討論会, 電気通信大学, 6.15. 2013.
22. 坪田誠
量子流体力学と量子乱流(Invited)
日本物理学会、2012年秋季大会、横浜国立大学、2012.9.18-21
23. 笠松健一，竹内宏光，坪田誠，新田宗士
ボース凝縮体におけるDブレーンソリトンの構造
日本物理学会、2012年秋季大会、横浜国立大学、2012.9.18-21
24. 竹内宏光，笠松健一，坪田誠，新田宗士
ボース・アインシュタイン凝縮におけるタキオン凝縮；空間的に局在した自発的対称性の破れ
日本物理学会、2012年秋季大会、横浜国立大学、2012.9.18-21

22

25. 新田宗士，笠松健一，坪田誠，竹内宏光
タキオン凝縮のトポロジー的側面；ドメイン壁対消滅によるボルトン生成
日本物理学会、2012年秋季大会、横浜国立大学、2012.9.18-21
26. 石野隼伍，坪田誠，竹内宏光
2成分ボースアインシュタイン凝縮体における0重渦の不安定性
日本物理学会、2012年秋季大会、横浜国立大学、2012.9.18-21
27. 竹内宏光，石野隼伍，坪田誠
2成分ボースアインシュタイン凝縮体における超流体間摩擦と摩擦緩和過程
日本物理学会、2012年秋季大会、横浜国立大学、2012.9.18-21
28. 坪田誠，藤本和也
捕獲スピン1スピノールBECのスピン乱流：エネルギースペクトルとスピン空間の軌道
日本物理学会、2012年秋季大会、横浜国立大学、2012.9.18-21
29. 青木雄祐，坪田誠
振動磁場を用いたスピン‐1スピノール Bose-Einstein 凝縮体におけるスピン乱流の生成
日本物理学会、2012年秋季大会、横浜国立大学、2012.9.18-21
30. 峯田由計，坪田誠
超流動ヘリウム4での熱対向流量子乱流の減衰
日本物理学会、2012年秋季大会、横浜国立大学、2012.9.18-21
31. 仲辻愛，坪田誠，矢野英雄
振動球により駆動される超流動4He量子乱流から放出される量子渦
日本物理学会、2012年秋季大会、横浜国立大学、2012.9.18-21
32. 藤本和也，坪田誠
スピン1スピノールBECの乱流とエネルギースペクトル
日本物理学会、第67回年次大会、関西学院大学西宮上ヶ原キャンパス、2013.3.24-27
33. 藤本和也
スピン自由度を持つBose-Einstein凝縮体の乱流とエネルギースペクトル『アインシュタインの物理』でリンクする研究・教育拠点 研究会、 学内重点冬セミナー'12、 長浜市サイクリングターミナル 、2012. 2. 18-20
34. 林真佑
螺旋せん断超流動の不安定性『アインシュタインの物理』でリンクする研究・教育拠点 研究会、 学内重点冬セミナー'12、 長浜市サイクリングターミナル 、2012. 2. 18-20
35. 坪田誠
量子流体不安定性と量子乱流(Invited)
USS-2012 Ultracold Gases: Superfluidity and Strong Correlations、東京理科大学神楽坂キャン
パス、2012.1.11‐1336. 林真佑，坪田誠，竹内宏光
Helical shear-flow instability along a core-flow vortex
平成23年度物性短期研究会、東京大学物性研究所、2012.1.5‐7
37. 藤本和也，坪田誠
スピン1スピノールBose-Einstein凝縮体の乱流とエネルギースペクトル
平成23年度物性短期研究会、東京大学物性研究所、2012.1.5‐7
38. 塚本光昭，坪田誠
制限された空間に閉じ込められた4Heの超流動
平成23年度物性短期研究会、東京大学物性研究所、2012.1.5‐7
39. 坪田誠
量子流体不安定性と量子乱流
平成23年度物性短期研究会、東京大学物性研究所、2012.1.5‐723

（研 究会 、 セミ ナー ）40. Makoto Tsubota
Quantum hydrodynamics and turbulence in atomic Bose-Einstein condensates
University of Birmingham, UK, 8.24. 2012.
41. Makoto Tsubota「Quantized vortices and turbulence
Heidelberg University, Germany, 6.20. 2012.

＜学位論文＞
修士 論文
1. 楠村 拓也：「二次元量子乱流の統計的性質」
2. 林 真佑：「２成分Bose-Einstein凝縮体における螺旋せん断超流動の不安定性」
3. 峯田 由計：「超流動4Heでの量子乱流の数値解析的研究」＜研究助成金取得状況＞
1.

石野隼伍
日本学術振興会特別研究員奨励費「量子流体の非平衡ダイナミクスの理論的研究」\900,00024超伝導物理学研究室
村田惠三	
 

教授
横川敬一(客員研究員)
Md. Nuruzzaman(国費留学生、D3)1)
林恭仁子 (M2)高岡亮	
  (M1)

研究概要
1. HMTSF-TCNQの磁場誘起新電子相の発見
最初の有機物超伝導体はTMTSF2PF6は擬１次元金属性を持ち、温度低下によりある温度でフェルミ面のネスティングと強相関性により絶縁体化する。この絶縁相はスピン密度波によるものであった。これを0.65 GPaの圧力下では超伝導が見られ、更なる高圧では全温度領域で金属となる。概ね超伝導が現れる圧力域で、磁場誘起でスピン密度波が現れる。
これにはサブ相があり、磁場掃引で1次の相転移を次々と引き起こす。また、このサブ相内で量子Hall効果を示す。
TMTSF2PF6に至る前駆物質にTTF-TCNQという物質があり、擬１次元金属性を持ち、温度低下によりある温度でフェルミ面のネスティングと電子格子相互作用により絶縁体化
す る 。 こ の 絶 縁 相 は 電 荷 密 度 波 に よ る も の で あ っ た 。 TTF-TCNQ の 発 展 類 縁 物 質 に
HMTSF-TCNQという物質があり、これでTMTSF2PF6塩で見ららたものと対照的な現象が見えたら物理学の理解に大いに寄与する。本研究はそれを狙っている。
しかし、今までの試料は単結晶性に難があり、角度依存の解析が難しかった。ところが、良質な単結晶ができることが分かり、その試料を用いて再実験を米国(National High Field
Magnet Lab/ Florida State Univ. FL, USA)で行った。
強磁場下で高圧力セルを回転しながら測定した磁気抵抗の測定からその実態が顕著になってきた。各種国際会議に発表し、学術論文に準備中である。

2. β-(BDA-TTP)2I3における1軸加圧方向依存するMott/電荷秩序相および超伝導の発現
本物質を1軸加圧する向きにより、絶縁相がMott絶縁体になったり、電荷秩序絶縁体になったりすることが予想され、実際、金属・非金属転移の温度が異なったり、超伝導の実
現圧力や転移温度が異なったりすることが発見された。
J. Phys. So. Jpn.に掲載された。
3. 次世代超高圧印加用圧力媒体油の研究
高圧力実験は閉じ込められた空間内に試料をおき、試料空間サイズをシリンダー状の軸方向に押して加圧する。全ての媒体はある圧力で固化するので、固化したあと更に加圧す
ると、静水圧力でもなく、1軸圧力でもなくなり、物理的解析は困難になる。このため、我々は固化圧力の高い圧力媒体の開発を行い、広く物性物理学の発展に寄与を目指している。現在、導電ペーストを溶かさない媒体としては、室温で3.7 GPaという世界最高の値を出して、多くの研究者に使われている。
新種の媒体についてテストを重ねたが、上記のレコードを超えるものはなかった。継続中である。

教育・研究業績
著書
1. なし

25

学術論文
1. Thermoelectric and thermal properties of novel τ -type organic conductors as thermoelectricmaterials, Harukazu Yoshino, Haruki Nakada, Sara J. Krivickas, Hatsumi Mori, George C.
Anyfantis, George C. Papavassiliou, Keizo Murata, Phys. Status Solidi C, 1–3 (2012) / DOI
10.1002/pssc.201100658.
2. Structural and Electrical Properties of the τ-(P-S,S-DMEDT-TTF)2(AuCl2) (AuCl2)y Compoundwith (y ≈ 0.9), Vassilis Psycharis, George A. Mousdis, Keizo Murata and George C. Papavassiliou,
Crystals
2012,2,1283-1290;
doi:10.3390/cryst2031283,
ISSN
2073-4352,
www.mdpi.com/journal/crystals.
3. Pressure Effect on Organic Conductors, Keizo Murata, Keiichi Yokogawa, Sonachalam Arumugamand Harukazu Yoshino,Crystals 2012, 2, 1460-1482; doi:10.3390/cryst2041460 (23 pages), ISSN
2073-4352, www.mdpi.com/journal/crystals.
4. Uniaxial-Strain-Orientation Dependence of the Competition between Mott and Charge Ordered
Phases and their Corresponding Superconductivity of β-(BDA-TTP)2I3, Md. Nuruzzaman, Keiichi
Yokogawa, Harukazu Yoshino, Haruo Yoshimoto, Koichi Kikuchi, Takayuki Kaihatsu, Jun-ichi
Yamada, and Keizo Murata,J. Phys. Soc. Jpn., 81 (2012).124703(Full paper. 7 pages).
国際会議講演1. K. Murata, W. Kang, K. Masuda, Y. Fukumoto, T. Sasaki, H. Yoshino, A. Kiswandhi, E.S. Choi,
J.S. Brooks, K. Yokogawa, R. Kato, Field-Induced CDW Phases in a Quasi-One-Dimensional
Organic Conductor, HMTSF-TCNQ under Pressure of ~1 GPa in Magnetic Field of 31 T, .	
 10thInternational Conference "Research in High Magnetic Fields, Wuhan, China, 2012.7.3-7.6.
2. Keizo Murata, W. Kang, K. Masuda, Y. Fukumoto, T. Sasaki, H. Yoshino, A. Kiswandhi, E.S. Choi,
J.S. Brooks, K. Yokogawa, R. Kato, Field-Induced CDW Phases in HMTSF-TCNQ Under Pressureof ~1 GPa, Int. Conf. on Science and Technology of Synthetic Metals, Atlanta 2012.7.7-11.
3. K. Murata, W. Kang, K. Masuda, Y. Fukumoto, K. Yokogawa, T. Sasaki, H. Yoshino, A.
Kiswandhi, E.S. Choi, J.S. Brooks, R. Kato, Pressure-Tuned Field-Induced CDW Phases in a
Quasi-One-Dimensional Organic Conductor, HMTSF-TCNQ in Magnetic Field of 31 T, 50th
EHPRG Meeting, Thessaloniki, Greece, 16-21 September 2012.
4. K. Murata, Field-induced phases in quasi-organic conductors, HMTSF-TCNQ in Magnetic Field of
31 T, 2012.11.15, Seoul Nat’l Univ.
5. K. Murata, W. Kang, Y. Fukumoto, R. Takaoka, K. Yokogawa, H. Yoshino, J.S. Brooks, D. Graf, A.
Kismarahardja, E.S. Choi, H. Fujiwara, T. Sasaki, . Kato, Field-Induced Phases and Quantum Hall
Effect in HMTSF-TCNQ, Dec. 1, 2012, Miyazaki
6. K. Murata, Field-induced phases in quasi-organic conductors, HMTSF-TCNQ in Magnetic Field of
31 T, Special Seminar on Recent Trends in Novel Materials, Feb. 20, 2013. Bharathidasan Univ.
India.
学会・研究会講演
1. 福本雄平, W. Kang, D. Graf, A Kiswandhi, E. S. Choi, J. S. Brooks、横川敬一, 佐々木孝彦, 吉野治一, 藤原秀紀, 加藤礼三, 村田惠三、HMTSF-TCNQの1 GPa圧力下, 磁場誘起相でのHall効果Ⅱ、日本物理学会 18aEB-6、横浜国立大学2013.9.18.
2. d. Nuruzzaman, Keiichi Yokogawa, Harukazu Yoshino, Koichi Kikuchi, Takayuki Kaihatsu,
Jun-ichi YamadaB and Keizo Murata、Mott/Charge Order and Superconductivity in β-(BD
A-TTP)2I3 by Uniaxial Strain, 日本物理学会 18pEB-8、横浜国立大学2013.9.18.
3. 横 川 敬 一 ， 福 本 雄 平 , 鴻 池 貴 子 ^A^, 吉 野 治 一 ， 村 田 惠 三 、 8 GPa 下 のAlpha-(BEDT-TTF)_2_I_3_のDirac Cone状態 その２、横浜国立大学2013.9.18.
4. 横川敬一,	
 Md.	
 Nuruzzaman,	
 吉野治一,	
 村田惠三、輸送現象測定に向けた	  一軸圧縮用媒体	
 26

STYCAST	
 1266の特性、横浜国立大学2013.9.18.
5. 横 川 敬 一 , 高 岡 亮 , 吉 野 治 一 , 下 野 智 史 , 市 川 俊 , 山 田 順 一 , 村 田 惠 三 ,Alpha-[(S,S)-DMDH-TTP]2AuI2 の1軸ひずみ下の温度依存性のない電気抵抗, 高圧討論会
3A20	
  阪大.2012.11月
6. 横川敬一・福本雄平・鴻池貴子・吉野治一・村田惠三, 8 GPa下のAlpha-(BEDT-TTF)2I3のDirac Cone状態, 高圧討論会 3A19, 2012.11月。
7. 横川敬一, 高岡	  亮, 福本雄平, W. Kang, D. Graf, Kiswandhi, E. S. Choi, J. S. Brooks, 吉野治一, 藤原秀樹, 佐々木孝彦, 加藤礼三, 村田惠三, HMTSF-TCNQの1 GPa下、磁場誘起相での量子Hall効果Ⅲ,日本物理学会 27pXF-1、広島大学2013.3.27.

8. 福本雄平、高岡亮、横川敬一、吉野治一、藤原秀紀、加藤礼三、村田惠三、HMTSF-T
CNQの1 GPa圧力下, 45 Tまでの磁気抵抗測定、日本物理学会 27pXF-2、広島大学
2013.3.27.
9. 高岡亮, 福本雄平, W. Kang, D. Graf, A. Kiswandhi, L. Winter, B. Shermane, J.
S. Brooks, 藤原秀紀, 横川敬一, 吉野治一, 加藤礼三, 村田惠三、HMTSF-TCNQの
1 GPa圧力下, 角度依存磁気抵抗振動、日本物理学会 27pXF-3、広島大学2013.3.27.	
 その他
1. 村田惠三ほか：サイエンスフェスタ	  2012年8月	
  大谷女子高校

学位論文
修士論文
1. 林恭仁子：
導電性共役高分子 PEDOT-PSS の超高圧下輸送現象
博士論文
1. Nuruzzaman(国費留学生):
Uniaxial-Strain-Orientation Dependence of the Competition between Mott and Charge Ordered
Phases and their Corresponding Superconductivity of β-(BDA-TTP)2I3

研究助成金取得状況
1. 村田惠三：科研費：新学術領域研究「ゼロ質量的分散関係を持つ有機導体における制御された高圧・強磁場下での物性の探索」210万円（直接経費）、273万円（直接＋間接経費）
2. 村田惠三：共同研究：「次世代超高圧印加用圧力媒体油の研究」45万円

海外出張および海外研修
1.
2.
3.

村田惠三：2012.7.3 – 7.6 「10th International Conference "Research in High Magnetic Fields,
Wuhan, China, 2012.7.3-7.6」の会議、招待講演と参加。
村田惠三：2012.7.7 – 7.14.「Int. Conf. on Science and Technology of Synthetic Metals」会議、講演と参加。Atlanta, USA。
村田惠三：2012.9.15 – 9.22.「The 50th European High Pressure Research Group Meeting」会
議、講演と参加。Thessaloniki, Greece。

27

4.
5.
6.

村田惠三：2012.10.11-10.26「米国強磁場研究所（NHMFL, National High Mag. Fied Lab.）/Florida State Univ.」にて強磁場実験。
村田惠三：2012.11.13-16	
  ソウル大学より招待。講演。
村 田 惠 三 ： 2013.2.14-2.24 	
  日 印 二 国 間 交 流 、 予 備 交 流 事 業 （ Hyderabad, Bangalore,
Tiruchirappali, Chennnai）インド。

その他
1.
2.
3.
4.

村田惠三：東北大学金属材料研究所強磁場施設利用者委員
村田惠三：東京大学物性研究所利用者委員
村田惠三：日本物理学会	
  欧文編集誌	  編集委員村田惠三：文部科学省	
  科学技術専門調査員

28

電子相関物理学研究室
小栗 章 教授
西川 裕規 講師

粟根美由紀 (M1)佐藤泉 (M1)

長谷川 亮太 (B4)中野 寛之 (B4)
神出 隆平 (B4)

研究概要
本研究室では、主として、最近グラフェンやナノチューブなどのカーボン系や、単一分子レベルのエレクトロニクスとも関連する広がりを見せている、量子ドットやナノ物質系の磁性や電気伝導に与える電子相関の効果に関する理論研究を、場の量子論と数値・計算物理学的な方法を駆使し進めている。特に、多重量子ドットや複数の軌道を持つ量子不純物系の量子相転移・近藤効果と非平衡量子輸送現象、および超伝導体と接続された量子ドット系におけるクーパー対と磁性の競合の詳細について調べている。
2012年度の研究内容は次の通りである：(1) 量子ドット系の低エネルギー状態の性質、および非平衡定常状態におけるショットノイズ、完全計数統計、軌道縮退の効果。 (2) 不純物
Anderson模型の高バイアス極限におけるGreen関数の厳密な振る舞い。(3) 超伝導体と接合された量子ドット系におけるAndreev・Josephson・近藤効果の競合。(4) Hund結合のある量子
不純物における量子相転移、多体相関によるくりこみの効果に関する研究を進めた。以下に、それぞれについての研究概要を記す。
(1)

電子相関の解明には、問題を取り扱う理論・定式化の発展も欠くことができない。我々は、軌道縮退のある量子不純物・量子ドットを記述する代表的なモデルであるSU(N)対称性を持つAnderson模型に関して1/(N-1)展開という新たな手法が有効であることを、数年前に明らかにした。ただし、Nは軌道縮退数である。量子不純物系では従来Nが大きな場合からの解析的なアプローチとして、Non-Crossing Approximation(NCA)などが用いられてきたが、それらは全て不純物電子と伝導電子との混成項v の摂動展開に基づくものであった。これに対し我々の展開法は電子間斥力U の摂動展開に基づく。1/(N-1)のゼロ次はHartree-Fock近似、1/(N-1)の1次でRandom Phase Approximation、1/(N-1)の2次からスピ
ンや電荷の量子揺らぎによる電子相関効果が系統的に記述される。我々は、1/(N-1)の2次までの計算を行い、数値くりこみ群も併用し、動的相関数への応用などを進めている。

(2) 相互作用する電子系の低エネルギーの性質には、Fermi流体やTomonaga-Luttinger流体、あるいはMajorana励起などを含む量子多体系の基底状態の構造から決定される普遍的な構造を通し理解されてきている。これらの振る舞いがエネルギーの上昇に伴いどのように変化するかも重要な問題であり、主として数値的に調べられてきている。したがって、逆の極限である高エネルギー領域の知見も全エネルギ―領域における電子系の物理を知る上で必要になる。我々はAnderson模型の高バイアスの極限で、非平衡Green関数を厳密に求め、論文を投稿した。特に、熱場の量子論から非エルミート有効ハミルトニアンを導出し、従来のHubbard Iと呼ばれる原子極限からの近似が、高バイアスでは３つの相関関数の閉じた連立運動方程式によりダンピング効果が正確に取り入れるように拡張された形式で厳密に成立することを明らかにした。
(3)

超伝導体との接合系に関する研究では、特に、２本の超伝導リードと１本の常伝導リードからなる３端子に接続された単一量子ドット、および3角形3重量子ドットに関する研究を進め、2012年度は論文を発表した。 我々は、低エネルギー状態が相互作用する
Bogoliubov粒子系の局所Fermi流体として記述されることを示し、さらに数値くりこみ群を用いた計算に基づいてJosephson位相、Andreev散乱、および近藤効果が競演する状況の詳細を調べている。

29

(4) フント結合を有するアンダーソン模型の持つ量子臨界点に関する研究を行った。具体的には、反強磁性的スピン相互作用によるスピンシングレットと近藤効果によるスピンシン
グレットの競合による量子臨界点と、ドット間斥力による局所電荷秩序と近藤効果の競合による量子臨界点を研究した。またフント結合で相互作用する２つの近藤模型（composite
Kondo model）の低エネルギー状態を数値くりこみ群(NRG)で計算し、それがフント結合を有する有効アンダーソン模型で記述できることを示しながら、２つの模型の低エネルギーでの同等性（普遍性）をフント結合の強さを変化させて調べた。またその副産物として、どの程度の大きさのフント結合が、２つの不純物スピンをS=1のスピンに固定するかを示し、
従来提案されていたcomposite Kondo modelの近藤温度がどの程度正しいかを詳細に調べることができた。また、量子ドット（４重量子ドット上の磁性的性質（リーブ強磁性と長岡
強磁性）と近藤効果）の研究を行った。

教育・研究業績
学術論文
1. Y. Nishikawa and A. C. Hewson, “Hund's rule coupling in models of magnetic impurities andquantum dots”, Phys. Rev.B 86, 245131 (2012), 6 pages.
2.

Y. Nishikawa, D. J. G. Crow, and A. C. Hewson, “Phase diagram and critical points of a double
quantum dot”, Phys. Rev.B 86, 125134 (2012), 16 pages.

3.

A. Oguri, Yoichi Tanaka, J. Bauer, “Interplay between Kondo and Andreev-Josephson effe
cts in a quantum dot coupled to one normal and two superconducting leads”,
Phys. Rev. B 87, 075432 (2013), 11 pages.

4.

Rui Sakano, Y. Nishikawa, A. Oguri, A. C. Hewson, and S. Tarucha, “Full counting stati
stics for orbital-degenerate impurity Anderson model with Hund's rule exchange coupling”,
Phys. Rev. Lett. 108, 266401 (2012), 4 pages.

5.

Yoichi Tanaka, N. Kawakami, and A. Oguri, “Crossover between two different Kondo co
uplings in side-coupled double quantum dots”,
Phys. Rev. B 85, 155314 (2012), 8 pages.

6.

A. Oguri and Yoichi Tanaka, “Transport through a single Anderson impurity coupled to
one normal and two superconducting leads”, J. Phys. Conference Series 391, 012146 (2012), 4 pages.

国際会議講演
1. A.Oguri, R.Sakano and T.Fujii: “1/(N-1) expansion for an SU(N) impurity Anderson model:a
new large-N scheme based on a perturbation theory in U”, Quantum Science of Strongly
Correlated Systems Theory Forum: International Symposium on “Strongly Correlated Quantum
Science” (January 2013, Tokyo)
2.

A.Oguri, R.Sakano and T.Fujii: “1/(N-1) expansion for an SU(N) impurity Anderson model:a
new large-N scheme based on a perturbation theory in U”, The NATO Advanced ResearchWorkshop on Recent Trends in Energy Security: with Special Emphasis on Low-Dimensional
Functional Materials, (October 2012, Tashkent)

30

3.

A.Oguri and R.Sakano: “1/(N-1) expansion for a finite U Anderson model with an SU(N)symmetry:”, International Conference on Magnetism (July 2012, Busan).

学会・研究会講演
1. 小栗 章，阪野 塁， 「アンダーソン量子ドットの高バイアス極限でのクーロン斥力による電流揺らぎII」, 日本物理学会 (2013.3, 広島大学).
2.

阪野 塁，小栗 章，「異方的フント則結合のあるアンダーソン量子ドットの非平衡電流と普遍特性」, 日本物理学会 (2013.3, 広島大学).

3.

阪野 塁，小栗 章， 「アンダーソン量子ドットの高バイアス極限でのクーロン斥力による電流揺らぎ」, 日本物理学会 (2012.9, 横浜国立大学).

4.

小栗 章，阪野 塁， 「軌道縮退Anderson 模型に基づく完全計数統における電流保存と1/(N - 1) 展開」, 日本物理学会 (2012.9, 横浜国立大学).

その他
1. 阪野 塁，小栗 章，, 小林研介 “量子ドットの近藤効果による非平衡電流の完全計数統計”, 『固体物理』 47, No. 10, 475--485 (2012) [ISSN:0454-4544].
2.

A. Oguri: “Kondo Assisted Charge Redistribution in Mesoscale Multi-Orbital Systems”,
JPSJ Online -- News and Comments (December 10, 2012)
http://jpsj.ipap.jp/news/jpsj-nc_117.html

学位論文
修士論文
博士論文

研究助成金取得状況
1.

小栗章：学術振興会・基盤研究(C)「量子ドット・ナノ物質系における強相関電子による量子輸送の理論的研究」70万円

海外出張および海外研修
1.

西川 裕規：英国インペリアルカレッジ、2012年9月8日 ～ 2012年10月7日、研究打ち合
わせ2.

小栗 章：ウズベキスタン、2012年10月14日～10月20日、NATO Advanced Research Workshop (Tashkent)出席・発表

3.

小栗 章：韓国、2012年7月8日～7月14日、磁性国際会(Busan)出席・発表

その他

31

宇宙線物理学研究室
林嘉夫	
  教授
荻尾彰一 准教授
櫻井信之 特任助教
小島浩司 客員教授

藤井俊博(D3)
山﨑勝也(D1)
山根涼(M2)
米田泰久(M2)

後藤昂司(M1)
南平兵衛(M1)
小林隼矢(B4)
寺農篤(B4)
山口泰弘(B4)

研究概要
1. インド・ウーティーにおける空気シャワーアレイを用いた宇宙線・ガンマ線観測（林、小島、山口）	 	  	  本研究室とインド・タタ基礎研究所による日印国際共同実験『GRAPES-3空気シャワー実験』は2000年3月から現在まで安定した観測を行っている。本実験は10TeV以上の宇宙線・ガンマ線観測による超高エネルギー天体現象の解明を目的として、一次宇宙線の化学組成解析やガンマ線源探索等をおこなっている。2012年度はCERNで開発されたHPTDC	
 chip	
 を用いた	 CAMAC	 module	 を新たに全シンチレーション検出器に導入し、Real	 Time	 TDC	 Calibration	
 System(RTTCS)も全検出器に追加した。これはCERN	
 chip	
 の多重信号記録が可能な性質を使うことにより可能になったものであり、そのため実時間でケーブルによる信号遅延の補正が出来るようになった。これにより角度精度の向上が見込まれる。	
 	
 2. インド・ウーティーにおける大面積ミューオン検出器を用いた宇宙線観測（小島、林、山
口）	
 
	
  	
  インド・Ootyに設置したGRAPS-3多方向ミューオン望遠鏡により多方向から入射する宇宙
線強度の変動を、従来の約10倍以上の検出面積で同時観測を行っている。そして，これらの観測によって得られる宇宙線強度変動と、衛星観測による太陽風速度変動等の惑星間空間プ
ラズマの物理量の変動とを比較して、それらを関連付けるパラメータを決定する。さらに、
多方向ミューオン望遠鏡によって得られる宇宙線強度の２次元地図と複数の人工衛星観測で得られる太陽風の空間的構造とを比較することにより、宇宙線の異方性と太陽風の空間構造との関連を明らかにして磁気雲の３次元構造の解明を図る。2012年度は、宇宙線強度の恒星
時日変化と惑星間磁場の極性境界面(NS境界面)との関係について調べ、NS境界面と赤道面の傾斜角とSwinson	
 flowの解析から、Toward、Awayそれぞれの領域に逆極性フローの混在が示唆されること、Toward、Awayの極性間の差の位相は期待どおりであるものの、振幅は予想より減衰している可能性があることがわかった。	
 	
 3. テレスコープアレイ実験における最高エネルギー宇宙線の観測と装置の較正、データ解析
プログラムの開発、データ解析（荻尾、櫻井、藤井、山﨑、南平、米田、山根、後藤）	
 	  	  最高エネルギー宇宙線の日米韓露による国際共同観測プロジェクト、『テレスコープ
アレイ実験』は2008年3月から定常観測を開始した。本研究室は実験装置の設計・開発から現在まで研究グループの主力として本実験に参加している。2012年度は、装置の運用と観測実施を継続しつつ、大阪市立大学グループは以下の研究／開発に取り組んだ。	
 ①	
  大気蛍光望遠鏡単眼解析によるエネルギースペクトルと化学組成の推定	
 ②	
  大気蛍光望遠鏡単眼解析による極高エネルギーガンマ線の探索	
 ③	
  旧HiRes実験望遠鏡を移設したMiddle	
 Drumステーション望遠鏡のための解析プログ
ラム群の完成	 ④	
  地表検出器アレイによる観測データから空気シャワーの横方向構造の研究	
 

32

⑤	
  低エネルギー拡張計画(TALE計画)のためのエレクトロニクスの開発の継続と米国ユタ州における要素試験。	
 ⑥	
  大気蛍光望遠鏡較正用可搬UVレーザーの運用。	
 	
 4. 大気中の荷電粒子カスケードシャワーからの分子制動放射の特性測定（荻尾）	
 	  	  全く新しいシャワー観測法の基礎研究を2009年から継続している。その観測法とは、シャワー中の電子成分粒子からの分子制動放射（Molecular	
 Bremsstrahlung	
 Radiation、	 MBR）を、特に4GHzマイクロ波帯（Cバンド、Kuバンド）で検出する方法である。大阪市立大学で運用されている空気シャワーアレイと	
 の同期観測、TA	
 実験の大気蛍光望遠鏡サイトの1つであるBlack	 Rock	
 Mesaサイトにおいて、現行の大気蛍光望遠鏡と連動した試験観測、電子線形加速器による電子ビームからの電波放射の観測を実施した。	
 	
 5. ガンマ線バースト残光の自動観測システムの開発（寺農、荻尾）	
 	
  	  GCNによる速報メールを元に、ガンマ線バーストの位置を読み取り、その方向に光学
望遠鏡を向け自動観測するための、望遠鏡架台と制御プログラムを開発した。	
 	
 6. 学生実験用空気シャワーアレイの改良（小林、荻尾）	
 	  	  学生実験用に杉本キャンパス内で運用されている空気シャワーアレイのためのデー
タ解析プログラムを改良した。データ収集サーバー、データ収集系のインターフェースを更新し、また、空気シャワーの元である一次宇宙線のエネルギー推定のためのルーチンをデータ解析プログラムに追加した。	
 	
 教育・研究業績
著書なし
学術論文
1. T. Abu-Zayyad, et al., “The energy spectrum of Telescope Array’s Middle Drum detector and the
direct comparison to the High Resolution Fly’s Eye experiment”, Astropart. Phys., 39-40,
109(2012)
2. T. Abu-Zayyad, et al., “Search for anisotropy of ultra-high energy cosmic rays with theTelescope Array experiment”, Ap. J., 757, 26(2012)
3. T. Abu-Zayyad, et al., “The surface detector array of the Telescope Array experiment”, NIM A,
689, 87(2012)
4. S. Kawana, et al., “Calibration of Photomultiplier Tubes for the Fluorescence Detector of
Telescope Array Experiment using a Rayleigh Scattered Laser Beam”, NIM A, 681, 68(2012)
5. H. Tokuno, et al., “New air fluorescence detectors employed in the Telescope Array experiment”,
NIM A, 676, 54(2012)
6. H. Tanaka, et al., “Studies of the energy spectrum and composition of the primary cosmic rays at
100-1000 TeV from the GRAPES-3 experiment”, Journal of Physics G: Nucl. Part. Phys., 39, pp.
025201
7. A. Babu, et al., “High rigidity Forbush decreases: due to CMEs or shocks?”, Astronomy andAstrophysics, 555, A139 (2013)
8. P.K. Mohanty, et al., “Solar diurnal anisotropy measured using muons in GRAPES-3 experiment in2006”, Pramana, accepted(2013)
国際会議会議録
1. S. Ogio, et al., “Search for Molecular Bremsstrahlung Radiation Signals in Ku Band with33

Coincidental Operations of Radio Telescopes with Air Shower Detectors”, Proceedings of 23rd
European Cosmic Ray Symposium, 1, 517-520(2012)
国際会議講演
1. N. Sakurai : “Recent results of Telescope Array experiment”, Recontres de Moriond 2013, 2013年3月9-16日、La Thuile, Aosta valley, Italy
学会・研究会講演
1. 藤井俊博：「TA実験207：大気蛍光望遠鏡による極高エネルギー宇宙線スペクトルの測定」	
  日本物理学会	
  2012年秋季大会	
  京都産業大学
2. 米田泰久：「TA実験209：Middle Drum大気蛍光望遠鏡ステーションによる観測データの解析」	
  日本物理学会	
  2012年秋季大会	
  京都産業大学
3. 山根涼：「TA実験211：大規模地表検出器観測データを用いたシャワー構造解析」	
  日
本物理学会	
  2012年秋季大会	
  京都産業大学
4. 藤井俊博：「TA実験1：極高エネルギー宇宙線の粒子種とエネルギースペクトル」	
  日
本天文学会	
  2012年秋季年会	
  大分大学5. 荻尾彰一：「TA実験220：Middle Drum大気蛍光望遠鏡ステーションによる観測データの解析」	
  日本物理学会	
  第68回年次大会	
  広島大学6. 荻尾彰一：「TA実験223：TALE実験による宇宙線の広エネルギー領域精密測定と宇宙物
理・ハドロン物理への展開」	
  日本物理学会	
  第68回年次大会	
  広島大学
7. 小島浩司：「大面積高精度muon望遠鏡による方位別宇宙線強度変動の研究（15）」	
  日
本物理学会	
  第68回年次大会	
  広島大学その他
1. 荻尾彰一：市民講演会「宇宙と素粒子の成り立ち」 2012年4月7日(グランキューブ大阪) 実
行委員
2. 林嘉夫・荻尾彰一：全国同時七夕講演会 2012年7月16日(大阪市立科学館)	
  実行委員
3. 荻尾彰一：「オープンキャンパス」 2012年8月7、8日 大阪市立大学にて体験授業
4. 荻尾彰一：「市大理科セミナー」 2012年8月28日 大阪市立大学にて講義
5. 荻尾彰一：「太陽圏とその中の地球」 2012年11月10日 近鉄文化サロンにて講演

学位論文
修士論文
1. 山根涼：「極高エネルギー宇宙線空気シャワーのジオメトリ再構成のためのシャワー構造の研究」
2. 米田泰久：「Telescope Array 実験 大気蛍光望遠鏡のための統一されたデータ解析プログ
ラムの開発とMiddle Drum ステーション 望遠鏡の性能評価」
博士論文
1. 藤井俊博：“Measurements of the Energy Spectrum and the Mass Composition of Ultra-High
Energy Cosmic Rays with Telescope Array Fluorescence Detectors in Monocular Mode”

研究助成金取得状況
1.
2.

荻尾彰一：学術振興会・特別推進研究（分担）「最高エネルギー宇宙線で探る極高宇宙現象」1,320万円
荻尾彰一：学術振興会・基盤研究(B)（分担）「電波望遠鏡による最高エネルギー検出」
55万円

34

3.

4.
5.

藤井俊博：学術振興会・特別研究員DC2「Telescope	
 Array実験とTALE実験による極高エネ
ルギー宇宙線の質量組成測定」250万円（2012年10月から東京大学にPDとして異動したた
め、金額は６ヶ月分+研究費）
荻尾彰一：東京大学宇宙線研究所共同利用研究費「大気分子制動放射マイクロ波の検出と検出器開発」40万円
小島浩司：名古屋大学太陽地球環境研究所共同利用研究費「日印両国に設置した超大型ミュオン望遠鏡による宇宙線強度の空間変動と惑星間空間におけるCMEの素過程の研究」54万円

海外出張および海外研修
1.

荻尾彰一：米国ユタ大学、2012年3月30日〜5月3日、Telescope Array実験共同研究者会議に出席・発表
2. 藤井俊博：米国ユタ大学、2012年3月30日〜5月3日、Telescope Array実験共同研究者会議に出席・発表
3. 山﨑勝也：米国ユタ大学・Telescope Array実験サイト(ユタ州デルタ市)、2012年5月8日〜5
月30日、Telescope Array実験施設にて宇宙線観測
4. 後藤昂司：米国ユタ大学・Telescope Array実験サイト(ユタ州デルタ市)、2012年6月8日〜6
月19日、Telescope Array実験施設にて宇宙線観測・共同研究者会議に出席・発表
5. 荻尾彰一：米国ユタ大学・Telescope Array実験サイト(ユタ州デルタ市)、2012年6月8日〜6
月19日、Telescope Array実験施設にて宇宙線観測・共同研究者会議に出席・発表
6. 櫻井信之：米国ユタ大学・Telescope Array実験サイト(ユタ州デルタ市)、2012年6月14日〜
6月28日、Telescope Array実験施設にて宇宙線観測・共同研究者会議に出席・発表
7. 藤井俊博：米国ユタ大学・Telescope Array実験サイト(ユタ州デルタ市)、2012年6月14日〜
6月19日、Telescope Array実験共同研究者会議に出席・発表
8. 荻尾彰一：米国ユタ大学・Telescope Array実験サイト(ユタ州デルタ市)、2012年9月7日〜9
月25日、Telescope Array実験施設にて宇宙線観測
9. 櫻井信之：米国ユタ大学・Telescope Array実験サイト(ユタ州デルタ市)、2012年10月5日〜
10月29日、Telescope Array実験施設にて宇宙線観測
10. 後藤昂司：米国ユタ大学・Telescope Array実験サイト(ユタ州デルタ市)、2012年10月1日〜
10月29日、Telescope Array実験施設にて宇宙線観測
11. 米田泰久：米国ユタ大学・Telescope Array実験サイト(ユタ州デルタ市)、2012年10月1日〜
10月29日、Telescope Array実験施設にて宇宙線観測
12. 荻尾彰一：韓国成均館大学、2012年11月13日〜16日、Telescope Array実験共同研究者と研究打合せ
13. 寺農篤：米国ユタ大学・Telescope Array実験サイト(ユタ州デルタ市)、2012年12月2日〜12
月24日、Telescope Array実験施設にて宇宙線観測

その他
なし

35

高エネルギー物理学研究室
清矢 良浩 教授
山本 和弘 准教授
大和 大祐 (D2)

清水 宏祐
三好 拓実
若松 慶樹

(B4)
(B4)
(B4)

研究概要
1. 陽子・反陽子衝突型加速器を用いた素粒子実験（清矢，山本，大和，清水，三好，若松）
日米科学技術協力事業の一環として行われている米国フェルミ国立加速器研究所の陽子・反陽子衝突型加速器テバトロンと汎用型
素粒子検出器CDFを用いた実験を，昨年度に引き続き遂行した．テバトロン加速器とCDF
検出器は，CERNの大型ハドロン衝突型加速
器LHCの本格運転開始に伴い，2011年9月末に28年間にわたった運転の終了を迎えた．図1に示したように，運転期間を通してCDF検出
器に届けられた陽子・反陽子ビームの積分ル
ミノシティは12fb−1を超えた．データ収集効
図 1: CDF 検出器で得られた陽子・反陽子衝突の率は約83%で，これ考慮すると最終的に解析に−1
積分ルミノシティ。2011 年 9 月末の運転終了時使用できる統計は10fb となっている．
には 12fb−1 に達した。
CDFグループでは，データ取得終了後もこれらの蓄積されたデータを用いて新粒子や新現象の探索を続けているが，今年度も標準模型ヒ
ッグス粒子 (H) の探索に精力が注がれた． LHC加速器によるATLAS実験とCMS実験が本格的に研究結果を出し始めたこともあり，テバトロンのデータ解析も急ピッチで行われ，ヒッ
グス粒子探索の最終的な結果を7月2日には公表することができた．昨年度終わりの3月にも解析結果を発表したが，今回の解析には，主として，テバトロン加速器を用いたもう一つの実験であるDØグループの解析に進展が見られたことによる改善が盛り込まれている．
結果を図2に示した。この図は，ヒッグス粒子生成断面積の上限値を計算し，標準模型による予言値との比をとったものを，ヒッグス粒子の質量 mH の関数として表したもので，この

図 2: CDF 実験と DØ 実験の両データを合わせて得られた，標準模型ヒッグス粒子の生成断面積の上限値と理論予想値の比．100 Ge
V/c2 ～103 GeV/c2 および 147
GeV/c2 ～180 GeV/c2 の質量領域でのヒッグス粒子の存在が 95%の信頼度で棄却された。また，120 GeV/c2 では，3.0σ の事象の超過を観測した．

36

比が1より小さい 100 GeV/c2 ～103 GeV/c2 および 147 GeV/c2 ～180 GeV/c2 の質量領域を95%の信頼水準で棄却することができた．また 120 GeV/c2 では，3.0σの統計的有意度でヒッ
グス粒子と説明できる可能性のある事象数の超過を観測した．
そして，テバトロンの実験結果の発表から2日後の7月4日，LHCのATLASとCMSは，ヒッグス粒子らしき新粒子を発見したことを発表したのである．しかしながら，2012年度の段階
では，この新粒子は 126 GeV/c2 程度の質量をもち，スピンは整数である，といったこと以外の詳細は不明である．
その他のCDF実験のデータ解析としては，標準模型のヒッグス粒子とは異なり，フェルミオンと相互作用しないフェルミオフォビック・ヒッグス粒子を，光子を3つ含む終状態を用いて探索する研究を引き続き行った．この解析では，高エネルギーのクォークやグルーオンによって生成されるハドロンの噴出（ジェット）が，あたかも光子のように検出されてしまう
背景事象を理解する必要がある．この一環として，今年は4年生の卒業研究として，偽光子として検出される確率がクォークとグルーオンで異なるのかどうかをモンテカルロシミュレー
ションによって探ることにした．統計的には優位ではないが，クォークの方が 10% ～ 25%
高めであるという結果が得られた．今後は精度を高めるとともに，仮にクォークの方が高い
場合，その原因がクォークあるいはグルーオンによるハドロン生成機構のどのような違いから来るのか調べる必要があるだろう．

2. 長基線ニュートリノ振動実験（清矢，山本）
J-PARC（茨城県東海村）とスーパーカミオカンデ（岐阜県飛騨市）を結ぶ基線長 295km にわたるニュートリノ振動現象を測定する T2K 実験のデータ収集が続けられた． J-PARC 加速
器は徐々に性能を上げ，2013 年 3 月時点で 230kW の出力を出せるようになった．ニュート
リノ前置検出器およびスーパーカミオカンデも大きな問題なく順調に稼働し，実験開始からの統計量は 5.63×1020 POT（POT : protons on target, パイオン生成標的に照射された陽子の総数）に達した．
昨年度には，1.43×1020 POT の統計量のデータ解析によって，世界で初めてミューニュート
リノからの振動による電子ニュートリノ出現現象（νμ → νe 振動）の兆候を観測したが，今年度はその倍にあたる 3.01×1020 POT のデータ解析を終了した．前置検出器で測定されたニュートリノ反応事象の情報を，スーパーカミオカンデに到達するニュートリノフラックスの予測に積極的に取り入れることで系統誤差を飛躍的に削減する方法を確立し，それまでの 1/4 ~
1/5 に抑えることに成功した．こうして得られた電子ニュートリノ事象のエネルギースペクト
ルは図 3 のようになり，sin22θ13 = 0 の場合における観測予想数 3.22±0.43 に対し，実際に観測された事象数は 11 であった．背景事象の統計的揺らぎのみで 11 個以上の事象を観測する
確率（p 値）は 0.08%で，3.2σの統計的有意度に相当する．このことから，T2K 実験では，電子ニュートリノ出現事象の観測により θ13 ≠ 0 の証拠を得たと言える．また，振動パラメータ
フィットを行った結果，質量順階層の場合に sin2 2θ13 = 0.094+0.053−0.040 となり，質量逆階層の
図 3: 再構成された電子ニュートリノ
のエネルギー分布．誤差棒付きの黒丸
はデータ，ヒストグラムは計算機シミュレーションによる予想を表す。白抜きの分布は振動パラメータ最良値において予想される電子ニュートリノ
出現事象の分布．

37

場合には sin2 2θ13 = 0.016+0.063−0.049 となった．δCP 全域おけるフィットの結果を図 4 に示す．黒の実線が中心値で，薄い青の領域が 68%C.L.，濃い青の領域が 90%C.L.での許容範囲である．
これらの結果は，中国や韓国，フランスにおいて原子炉からの反電子ニュートリノ欠損現象
を用いた別の実験グループによって独立に測定されている値と矛盾のないものとなっている．
電子ニュートリノ出現現象の解析と平行して，ミューニュートリノ欠損現象による νμ → ντ
振動の測定の更新を行った．スーパーカミオカンデでのミューニュートリノ反応事象の予測
は，電子ニュートリノ出現事象の予測とその方法は基本的に同じで，前置検出器でのニュートリノ反応の精密測定によって予測精度を高めている．その結果，ニュートリノ振動が無かった場合には 192.2 事象が予測されるのに対し，実際の測定数は 58 事象であった．図5 に観測されたニュートリノのエネルギー
スペクトルを示す．振動パラメータのフィ
ット結果は，その最良値が sin2 2θ23 = 1.0，Δm232 = 2.44 × 10−3 eV 2 であった．また，
sin2 2θ23 と Δm232 に関する許容範囲を他の実験結果とともに図 6 に示す．赤い太線と黒い太線が T2K 実験の結果である．両者の違いは解析方法によるものであり，誤差の範囲で一致している．スーパーカミオカ
ンデの大気ニュートリノ観測や米国のMINOS 実験と比べて，T2K 実験の精度が世界一になりつつある．
T2K 実験のデータ収集は今後も続けられ，
少なくとも現在の約 14 倍の統計量を取得する予定である．その間には反ニュートリ
ノビームのデータ収集も行う計画で，ニュートリノと反ニュートリノの両データの結果比較により，δCP の測定に繋げることが期
図 4: 実験結果から得られた sin22θ13 と δCP が待されている．
取りうる領域。薄い青と濃い青の領域は，それぞれ信頼水準 68%と 90%の領域を示す。

Best fit : sin22θ23 = 1.0
2Δm32 = 2.44×10−3 eV2

図 5: スーパーカミオカンデで観測されたミューニュートリノの再構成エネルギー分布．
青い破線のヒストグラムが，ニュートリノ振動が無かった場合の予想スペクトルで，誤差棒付きの黒丸が実際に観測されたスペクト
ル．赤いヒストグラムは，ニュートリノ振動
パラメータのベストフィット値での予想ス
ペクトル．

図 6: T2K 実験で得られたニュートリノ振動
パラメータ θ23 と Δm223 の許容範囲（赤および黒の太線）．MINOS 実験とスーパーカミオカ
ンデの大気ニュートリノ観測の結果を重ね
て描いた．

38

教育・研究業績
学術論文
1. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto，D. Yamato et al.
(CDF Collaboration): “Search for standard model Higgs boson production in association with a W
boson using a matrix element technique at CDF in 𝑝𝑝̅ collisions at √𝑠 = 1.96 TeV”, Phys. Rev. D
85, 072001 (2012).
2. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(CDF Collaboration): “Measurements of the Angular Distributions of Muons from ϒ Decays in 𝑝𝑝̅
Collisions at √𝑠 = 1.96 TeV”, Phys. Rev. Lett. 108, 151802 (2012).
3. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(CDF Collaboration): “Precise Measurement of the W-Boson Mass with the CDF II Detector”, Phys.
Rev. Lett. 108, 151803 (2012).
4. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto，D. Yamato et al.
𝐽/𝜓𝜙(CDF Collaboration): “Measurement of the CP-violating phase 𝛽𝑠
in 𝐵𝑠0 → 𝐽/𝜓𝜙 decays with
the CDF II detector”, Phys. Rev. D 85, 072002 (2012).
5. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto et al. (CDF
Collaboration): “Combination of CDF and D∅ measurements of the W boson helicity in top quark
decays”, Phys. Rev. D 85, 071106(R) (2012).
6. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto et al. (CDF
Collaboration): “Search for a Low-Mass Standard Model Higgs Boson in the ττ Decay Channel in 𝑝𝑝̅
Collisions at √𝑠 = 1.96 TeV”, Phys. Rev. Lett. 108, 181804 (2012).
7. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto et al. (CDF
Collaboration): “Study of substructure of high transverse momentum jets produced inproton-antiproton collisions at √𝑠 = 1.96 TeV”, Phys. Rev. D 85, 091101(R) (2012).
8. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(CDF Collaboration): “Search for anomalous production of multiple leptons in association with W andZ bosons at CDF”, Phys. Rev. D 85, 092001 (2012).
9. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(∗)+ (∗)−(CDF Collaboration): “Measurement of 𝐵𝑠0 → 𝐷𝑠 𝐷𝑠
Branching Ratios”, Phys. Rev. Lett. 108,201801 (2012).
10. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(CDF Collaboration): “Search for a Dark Matter Candidate Produced in Association with a Single Top
Quark in 𝑝𝑝̅ Collisions at √𝑠 = 1.96 TeV”, Phys. Rev. Lett. 108, 201802 (2012).
11. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(CDF Collaboration): “Measurement of the masses and widths of the bottom baryons Σ𝑏± and Σ𝑏∗± ”,
Phys. Rev. D 85, 092011 (2012).
12. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(CDF Collaboration): “Evidence for the Charmless Annihilation Decay Mode 𝐵𝑠0 → 𝜋 + 𝜋 −”, Phys.
Rev. Lett. 108, 211803 (2012).
13. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(CDF Collaboration): “Search for Dark Matter in Events with One Jet and Missing Transverse Energy
in 𝑝𝑝̅ Collisions at √𝑠 = 1.96 TeV”, Phys. Rev. Lett. 108, 211804 (2012).
14. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(CDF Collaboration): “Search for a Heavy Particle Decaying to a Top Quark and a Light Quark in 𝑝𝑝̅
Collisions at √𝑠 = 1.96 TeV”, Phys. Rev. Lett. 108, 211805 (2012).
15. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto et al. (CDF
�0 , Ξ ± , and Ω± hyperons in 𝑝𝑝̅ collisions at √𝑠 = 1.96 TeV”,
Collaboration): “Production of Λ0 , Λ
Phys. Rev. D 86, 012002 (2012).
16. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(CDF Collaboration): “Measurement of CP-violation asymmetries in 𝐷 0 → 𝐾𝑆0 𝜋 + 𝜋 −”, Phys. Rev. D
86, 032007 (2012).

39

17. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(CDF Collaboration): “Evidence for a Particle Produced in Association with Weak Bosons andDecaying to a Bottom-Antibottom Quark Pair in Higgs Boson Searches at the Tevatron”, Phys. Rev.
Lett. 109, 071804 (2012).
18. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(CDF Collaboration): “Diffractive dijet production in 𝑝̅ 𝑝 collisions at √𝑠 = 1.96 TeV”, Phys. Rev.
D 86, 032009 (2012).
19. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(CDF Collaboration): “Search for the standard model Higgs boson produced in association with a 𝑊 ±boson with 7.5 �b−1 integrated luminosity at CDF”, Phys. Rev. D 86, 032011 (2012).
20. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(CDF Collaboration): “Measurement of the WZ cross section and triple gauge couplings in 𝑝𝑝̅
collisions at √𝑠 = 1.96 TeV”, Phys. Rev. D 86, 031104(R) (2012).
21. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(CDF Collaboration): “Combined Search for the Standard Model Higgs Boson Decaying to a 𝑏𝑏� Pair
Using the Full CDF Data Set”, Phys. Rev. Lett. 109, 111802 (2012).
22. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(CDF Collaboration): “Search for the Standard Model Higgs Boson Decaying to a 𝑏𝑏� Pair in Eventswith Two Oppositely Charged Leptons Using the Full CDF Data Set”, Phys. Rev. Lett. 109, 111803(2012).
23. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(CDF Collaboration): “Search for the Standard Model Higgs Boson Decaying to a 𝑏𝑏� Pair in Eventswith One Charged Lepton and Large Missing Transverse Energy Using the Full CDF Data Set”, Phys.
Rev. Lett. 109, 111804 (2012).
24. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(CDF Collaboration): “Search for the Standard Model Higgs Boson Decaying to a 𝑏𝑏� Pair in Eventswith No Charged Leptons and Large Missing Transverse Energy Using the Full CDF Data Set”, Phys.
Rev. Lett. 109, 111805 (2012).
25. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(CDF Collaboration): “Measurement of the Difference in CP-Violating Asymmetries in 𝐷 0 → 𝐾 + 𝐾 −and 𝐷 0 → 𝜋 + 𝜋 − Decays at CDF”, Phys. Rev. Lett. 109, 111801 (2012).
26. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(CDF Collaboration): “Transverse momentum cross section of 𝑒 + 𝑒 − pairs in the Z-boson region from𝑝𝑝̅ collisions at √𝑠 = 1.96 TeV”, Phys. Rev. D 86, 052010 (2012).
27. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(CDF Collaboration): “Precision Top-Quark Mass Measurement at CDF”, Phys. Rev. Lett. 109,
152003 (2012).
28. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(CDF Collaboration): “Measurement of the Bottom-Strange Meson Mixing Phase in the Full CDF
Data Set”, Phys. Rev. Lett. 109, 171802 (2012).
29. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(CDF Collaboration): “Novel inclusive search for the Higgs boson in the four-lepton final state at
CDF”, Phys. Rev. D 86, 072012 (2012).
30. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(CDF Collaboration): “Combination of the top-quark mass measurements from the Tevatron collider”,
Phys. Rev. D 86, 092003 (2012).
31. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(CDF Collaboration): “Search for the Standard Model Higgs Boson Produced in Association with Top
Quarks Using the Full CDF Data Set”, Phys. Rev. Lett. 109, 181802 (2012).
32. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(CDF Collaboration): “Search for neutral Higgs bosons in events with multiple bottom quarks at theTevatron”, Phys. Rev. D 86, 091101(R) (2012).
33. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(CDF Collaboration): “Measurements of the Top-Quark Mass and the 𝑡𝑡̅ Cross Section in the
Hadronic τ+jets Decay Channel at √𝑠 = 1.96 TeV”, Phys. Rev. Lett. 109, 192001 (2012).
40

34. K. Abe, C. Matsumura, T. Nakai, K. Nakajima, T. Okusawa, T. Ozaki, Y. Seiya, K. Tashiro, K.
Yamamoto et al. (T2K Collaboration): “Measurements of the T2K neutrino beam properties using the
INGRID on-axis near detector”, Nucl. Instrum. Meth. A 694, 211-223 (2012).
35. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(CDF Collaboration): “Search for a heavy vector boson decaying to two gluons in 𝑝𝑝̅ collisions at√𝑠 = 1.96 TeV”, Phys. Rev. D 86, 112002 (2012).
36. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(CDF Collaboration): “Measurement of the 𝐵𝑐− meson lifetime in the decay 𝐵𝑐− → 𝐽/𝜓𝜋 − ”, Phys.
Rev. D 87, 011101(R) (2013).
37. K. Abe, C. Matsumura, T. Nakai, K. Nakajima, Y. Seiya, K. Yamamoto et al. (T2K Collaboration):“T2K neutrino flux prediction”, Phys. Rev. D 87, 012001 (2013).
38. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration):“Observation of the Production of a W Boson in Association with a Single Charm Quark”, Phys. Rev.
Lett. 110, 071801 (2013).
39. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration):“Measurement of W-boson polarization in top-quark decay using the full CDF Run II data set”, Phys.
Rev. D 87, 031104(R) (2013).
40. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration):“Measurement of the Cross Section for Prompt Isolated Diphoton Production Using the Full CDF Run
II Data sample”, Phys. Rev. Lett. 110, 101801 (2013).
41. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration): “Updated
search for the standard model Higgs boson in events with jets and missing transverse energy using thefull CDF data set”, Phys. Rev. D 87, 052008 (2013).
42. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration):“Measurement of the mass difference between top and antitop quarks”, Phys. Rev. D 87, 052013(2013).
43. T. Aaltonen, A. Hamaguchi, T. Okusawa, Y. Seiya, T. Wakisaka, K. Yamamoto, D. Yamato et al.
(CDF Collaboration): “Search for a Two-Higgs-Boson Doublet Using a Simplified Model in 𝑝𝑝̅
Collisions at √𝑠 = 1.96 TeV”, Phys. Rev. Lett. 110, 121801 (2013).
44. T. Aaltonen, T. Okusawa, Y. Seiya, K. Yamamoto, D. Yamato et al. (CDF Collaboration): “Search for
Resonant Top-Antitop Production in the Lepton Plus Jets Decay Mode Using the Full CDF Data Set”,
Phys. Rev. Lett. 110, 121802 (2013).

国際会議講演
1. 清矢 良浩：“Current Status of Experimental Particle Physics”，Progress in Quantum Field Theory
and String Theory，2012年4月5日，Osaka City University，Osaka，Japan

学会・研究会講演
1. 大和 大祐： “Search for the Higgs Boson Produced in Association with a Vector Boson Using
Like-Sign Dilepton Events at CDF”, Fermilab New Perspectives 2012, 2012 年 6 月 14 日，
Fermilab，
Batavia，Illinois，USA
2. 大和 大祐： “Search for the Higgs Boson Produced in Association with a Vector Boson Using
Like-Sign Dilepton Events at CDF” (Poster), Fermilab Users’ Meeting, 2012 年 6 月 12 日～13 日，
Fermilab，Batavia，Illinois，USA
3. 大和 大祐：「Search for the Higgs Boson Produced in Association with a Vector Boson Using
Like-Sign Dilepton Events at CDF」，筑波大学 高エネルギーセミナー，2012 年 9 月 21，筑波大学
4. 大和 大祐：「Search for the Higgs Boson Produced in Association with a Vector Boson Using
Like-Sign Dilepton Events at CDF」，高エネルギー加速器研究機構 高エネルギー物理学セミ
ナー，2012 年 10 月 9 日，高エネルギー加速器研究機構

41

5.

6.
7.

大和 大祐： “Search for the Higgs Boson Produced in Association with a Vector Boson Using
Like-Sign Dilepton Events at CDF” (Poster)，The First Asia-Europe-Pacific School of High-Energy
Physics (AEPSHEP)，2012 年 10 月 14 日～17 日，Fukuoka，Japan大和 大祐：「Higgs 探索における多変量解析の事例紹介」，重力波解析セミナー，2013 年 3月 13 日，大阪市立大学
山本 和弘：「T2K 実験の現状と最新結果」（招待講演），日本物理学会第 68 回年次大会，
2013 年 3 月 26 日～29 日，広島大学

その他【教室談話会など】
1. 清矢 良浩：「ヒッグス粒子探索研究に関する最近の進展について」，大阪市立大学市民向け講演会，2012年7月30日，大阪市立大学
2. 山本 和弘：「ヒッグス粒子の発見と新たな物理のはじまり」，物理学教室談話会，2012
年8月6日，大阪市立大学【国際共同研究グループ内口頭発表（英語）】
1. 大和 大祐：CDF Higgs Discovery Group：2012年5月4日，5月18日，5月25日，6月1日
2. 清矢 良浩：CDF Top BSM Group：2012年7月19日，10月4日，10月18日，11月1日
3. 山本 和弘：CDF Top BSM Group：2012年12月6日，2013年1月10日，3月14日

学位論文
卒業論文
1. 清水 宏祐，三好 拓実，若松 慶樹：「陽子・反陽子衝突におけるジェット起源判別プロ
グラムの作成と光子への Fake Rate の見積もり」

博士論文
1. 大和 大祐：「Search for the Higgs Boson Produced in Association with a Vector Boson Using
Like-Sign Dilepton Events in 1.96-TeV Proton-Antiproton Collisions」

研究助成金取得状況
1.
2.

日米科学協力事業費「陽子･反陽子衝突型加速器を用いる実験」184万円
山本 和弘：基盤研究(C) 「ダイヤモンドを用いた大強度ニュートリノ実験ミューオンプロファ
イルモニターの実用化」直接経費：200万円，間接経費：60万円

その他
高大連携・地域貢献
1. 山本 和弘：「ニュートリノという不思議な素粒子」，数学や理科の好きな高校生のための
市大授業，2012年4月29日，大阪市立大学
2. 山本 和弘：大手前高等学校，SSH「サイエンス探究」発表会 講評，2012年7月14日
3. 清矢 良浩：大手前高等学校，SSH「サイエンス探究」中間発表 講評，2013年3月23日

42

重力波実験物理学研究室
神田 展行 (教授)山本 尚弘 (M2)田中 一幸 (M1)浅野 光洋 (B4)

譲原 浩貴 (M2)鳥谷 仁人 (B4)

研究概要
本研究室では、重力波検出、ならびに重力波観測による基礎物理、天体物理、宇宙物理の諸問
題の実験的な研究を目的としている。
重力波とは一般相対性理論が予言する時空の歪みの波であり、光速度で伝搬し、横波であること、また４重極を基本モードとするといった諸性質が予想されている。非球対称な質量の運動、より正確には質量４重極モーメントの時間変化から放射される。しかし、重力相互作用はその他の相互作用に比べて結合定数が非常に小さく1 、その直接検出は容易ではない。また、同様の理由で人工的な重力波源の構築も困難である。
そのため、重力波の検出には高精度の測距技術技術が必要となる。現在の主流はレーザー干渉計であり、振り子で懸架した鏡の間の距離を正確に測るものである。外乱や装置内部の各種雑音に打ち勝つために、干渉計の基線長を長くとり、真空装置や高性能の防振装置を用いる必要がある。現在、LIGO（米国）、Virgo（伊仏）の各計画が、現在、高感度化に向けて改修中である。日本では、KAGRA 計画2 が建設中である。これらの検出器が完成すると、年間数〜数十の重力波イ
ベントが期待され、重力波検出器ネットワークを形成して到来方向や重力波のサイエンスに活躍すると期待されている。
我々の KAGRA
検出器は非常に高感度な干渉計であり、その目標感度は時空の歪みにして ∼√3 × 10−24 [/ Hz]（100Hz 付近）にもなる。図 1 に、KAGRA のデザイン感度曲線を示す。
KAGRA sensitivity limit
VRSE(D)
VRSE(B)-20

strain equivalent noise spectrum [1/rHz]

10

Noise budget

-21

10

mirror substrate Brownian thermal noise
mirror substrate thermoelastic noise
seismic noise
standard quantum limit

VRSE(D) quantum noise
VRSE(B) quantum noise
suspension thermal noise

-22

10

-23

10

-24

10

-25

10

10

100
frequency [Hz]1000

図 1: KAGRA のデザイン感度曲線
KAGRA のデザイン感度と各種の雑音源。黒太実線：VRSE(D) (可変 Resonant Sideband Extraction 狭帯域方式)、黒太点線：VRSE(B):可変 Resonant Sideband Extraction 広帯域方式。制御方法にオプションがあるが、VRSD(D) が ‘oﬃcial sensitivity limit’ である。雑音源は、熱雑音、レーザー光に起因する量子雑音、地面振動などである。KAGRA は RSE 技術により、標準量子限界 ( standard quantum limit 図中の黒細線）を部分的に突破する感度を目標としている。

現在の重力波検出実験は、重力波源として以下のような巨大質量の高速運動や、宇宙論的な規模のものを想定している。
1
2

たとえば陽子の間に働くクーロン力にくらべて 10−37 倍にしかならない。
ホームページ：http://gwcenter.icrr.u-tokyo.ac.jp43• 中性子星やブラックホールといったコンパクト連星の合体• 重力崩壊コアをもつ超新星爆発• 摂動によるブラックホール準固有振動• パルサー、Wagoner 星、LMXB3 などからの連続波• パルサーグリッジ• 宇宙初期インフレーション期に形成された背景重力波• 多くの天体からの重力波の重ね合わせによる背景重力波• 宇宙ひも• （その他）
これらの重力波は、その信号波形の性質（周波数、強度、継続時間など）も異なる。言い換えれば、重力波形の特徴によって、重力波源の推定や、星の内部構造を探ることも可能である。こうした多種多様な可能性の重力波を探索するために、本研究室は、データ転送・記録系とデータ解析を担当し、各研究者の個別の課題としている。また、２０１２年度は、Ｘ線・γ線、可視光・赤外線、ニュートリノ、重力波データ解析、重力波理論研究を束ねた科学研究費補助金 新学術領域
研究「重力波天体の多様な観測による宇宙物理学の新展開」4 が採択された。本研究室は神田が１
つの計画研究の代表と、領域の事務局を務める。この新学術領域研究は、我々の重要な研究活動の場となっている。
以下に、２０１２年度の各研究課題を説明する。

1. 大型低温レーザー干渉計型重力波望遠鏡 KAGRA （山本、譲原、田中、浅野、鳥谷、神田）
KAGRA（旧称 LCGT）は東大宇宙線研究所をホストとした共同研究であり、現在、岐阜県
神岡鉱山内に片腕の基線長 3km のレーザー干渉計を建設中である。KAGRA は長基線のレーザー干渉計を、地下の静謐で安定した環境に設置することで、高感度と安定した稼働を目指す。また、低温サファイア鏡による熱雑音抑制を最大の特徴とし、次世代のレーザー干渉計
検出器としての先進的な試みでもある。KAGRA は、2010 年度に「最先端研究基盤事業」補助対象に選ばれ、装置（機器）に関わる予算措置を受けて建設を開始し、2014 年春にトンネル掘削終了、2015 年末に iKAGRA と呼称する常温でのテスト観測を予定している。低温化を施した高感度の設定では、2017 年から 2018 年に本格的な観測運転に入る予定である。
図 1 に、本研究室がデザインを担当している KAGRA のデータフローを示す。2012 年度は、このデータフローの各所のデザインや、解析手法について（個別には後述）の研究がなされた。

2. 新学術領域研究「重力波天体の多様な観測による宇宙物理学の新展開」（山本、譲原、田中、
浅野、鳥谷、神田）KAGRA のような地上検出器で観測可能な周波数帯域の重力波を放出する天体は、強い重力場をもつコンパクトな天体である。そのような天体は、必然的に高密度、高温であり、高エネルギー天体現象を伴う。すなわち、重力波天体は、電磁放射（Ｘ線・γ線、可視光・赤外
線、電波）やニュートリノ放出を伴うことが予想されており、これらの観測によって同時観
測やフォローアップ観測が期待できる。相補的な観測によって、より詳しく重力波天体を理解できるし、また重力波の観測について確信を得ることができる。そのため、我々は以下のような目的で、新学術領域を申請し、本年度の採択となった。
3
4

Low Mass X-ray Binary
ホームページ：http://www.gw.hep.osaka-cu.ac.jp/gwastro/

44

Kashiwa

Kamioka
pre-processserver(s)(calibration,
DetChar)Main storage
servermass
storagedata sharing
between LSC, Virgo

ICRR’scomputers(for analysis
queues)spool

Primary Archive = Tier 1

Tier 2 mirroring

Tier 1.5 Low
Tier 3 partial
latency distribution distribution
Osaka City U., Osaka U.
for low latency GW searches
DAQ stream
Distribution

Tier 2 or 3

raw/proc. data archiver

primally : 5PB(KAGRA own/5 years）

raw data~20MB/sTier 3 partial
distribution(~70GB/h)Tier 3 partial
distribution

Data GRID
LIGO(LSC),Virgo~a few MB/s ??

Proc. data for searches
10% size of full raw data(~2MB/s or 100TB/yr)

end users

Oversea KAGRA collaborater sites:
Korea, China, India etc.

KAGRA Main storage server

Kamiokacandidate : NAOJ
for Multimessenger Astro.

GRID host(s)GRID
KAGRA collaborators

ICRR’s computer system

図 2: KAGRA 実験のデータ転送系
左：全体像、右：柏における主ストレージの関係図（領域の申請書より）
米国、欧州と日本の大型干渉計型重力波検出器は 2016 年にも、連星中性子星の合体等からの重力波を直接観測する情勢である。重力波形と発生源の同定から、
一般相対論的に強い重力場での物理現象を究めるのが本領域の目的である。そのために (1) ガンマ線バ-スト等の重力波天体からの X 線・ガンマ線放射を探索する。
(2) 光赤外・電波での対応事象を探索するために探索ネットワークを構築する。(3)
神岡鉱山内の水チェレンコフ検出器を改造して、重力波信号とニュートリノ信号の同時観測を行う。(4) 電磁波・ニュートリノ等との多様な同時観測が可能になる
ように、速報できる体制をつくる。(5) 新重力波源候補も含めて予想される重力波波形並びに電磁波・ニュートリノの対応事象の理論的研究を行う。以上の 5 つの計画研究を密接に推進して、目前に迫った重力波観測の時代に、宇宙物理学の新展開を期す。
図 3 に領域の全体像を示す。
この領域において、本研究室は “計画研究 A04「多様な観測に連携する重力波探索データ解
析の研究」（代表：神田）” を担う。
この研究は、重力波検出実験のデータをすばやく処理する 探索解析パイプライン を開発・実装し、KAGRA のデータを解析するものである。そして、重力波の発見を目指す。特に、他の天体観測と相互フォローアップを可能とするために重力波イベント速報システムを開発する。重力波観測網は、到来時間差を利用して重力波源の方向を求めることができるため、電磁波などの観測と協力することで、天体物理現象の解明に寄与することが期待されている。例えば中性子星連星の合体はガンマ線バースト (Short GRB) の源ではないかと目されているが、重力波は合体以前から放射されている。よって、重力波を早く検知することができれば、その情報を電磁波観測の望遠鏡に素早く伝えることで、ガンマ線バースト発生のごく初期からバーストを捉えることが出来る可能性がある。また速報だけではなく、重力波の検出後に、複数の観測、なかんずく多様な観測情報をもちいて重力波源の正体を詳しく解明するための解析は重要な研究課題とする。

KAGRA(と重力波観測網) で解析可能なすべての重力波を想定してすすめるが、そのなかでも速報性を要求される突発的なイベントの探索解析をおこなう “速報イベントのためのパイ
プライン” は特に力をいれて開発する。KAGRA の観測データは各探索解析パイプラインに渡され、解析結果は重力波の “イベント候補速報” としてまとめられる。この速報と、世界中の他の天体観測との同時性解析をおこなう。また国際重力波観測網の一部としての解析も行う。有為な同時性がみられれば、重力波イベントの発見となる。これらの、重力波イベン
ト探索ソフトウエアの開発、解析パイプラインの構築、同時性の解析 (統計的な扱いも含む)

45

重力波源
A. 合体波形

超新星爆発

中性子星連星合体

B. バースト波
C. 連続波D. 背景重力波
E.未知の波源

X線、γ線、可視光、赤外線、
電波、ニュートリノ...
多様な手
段で観測

計画研究A01

計画研究A02
光・赤外広視野望遠鏡

電波観測

計画研究A03
ニュートリノ検出

大立体角の連続モニター
MAXI
連携した観測の構築
重力波事象の理解

計画研究A04

計画研究A05

重力波のデータ解析 重力波観測

理論

各種天体観測観測衛星

海外の重力波検出器
aLIGO, aVirgo

地上の光赤外望遠鏡

図 3: 新学術領域「重力波天体の多様な観測による宇宙物理学の新展開」

が、本研究の重要な研究内容である。波源天体の方向、距離、内部構造などの諸性質についての詳しい解析も研究課題である。

2012 年度は、この計画研究のために、計算機環境を整えた（図 2）。２つの拠点に設置された計算機クラスターは、VPN(Virtual Private Network, 仮想プライベートネットワーク) に
よって接続され、ユーザーアカウントや各リソースを共有して論理上は一体化されたシステ
ムとして機能する。このシステムは、KAGRA の解析ソフトウエアの開発に使用されるだけ
でなく、VPN を拡張して KAGRA のデータ転送網に組み込むことも検討されている。
3. 天球マップの畳み込み逆解きによる重力波源方向の決定精度（神田）
重力波の入射方向推定は、複数台の検出器の時間差（位相差）を解いて決定される。しかし、観測重力波の波長 (100∼1000km のオーダー) に対して地上設置の検出器間の距離 (オーダー∼1000km) がそれほど長くないため、方向決定精度は光学望遠鏡などに比してかなり悪い。
短時間のイベントである連星合体や超新星バーストでは、数度〜数１０度平方にもなる。このことは光学や X 線・ガンマ線の対応天体探索の上で不利である。また、方向推定 (S/N) の天球マップを作成すると、誤差形状は円にならず、波形や入射方向に依存して特有の形状となる。
本研究では、この点源に対する誤差形状を逆解きして、より正確な方向推定が可能かどうかを検討した。また方向推定の計算の高速化のために、天球マップをあらかじめ作ったマスク
で比較処理することを考えた。
図 5 は、シミュレーションで生成したブラックホール準固有振動波形に対するマッチドフィ
ルター出力（KAGRA ならびに米国 LIGO、欧州 Virgo 検出器の位置を仮定してある）と、それを元に天球上の各点からの時間差を仮定して出力和を計算し、天球にマップしたものである。マップをみると、入射位置の特定が可能であることが見て取れる。次の段階として、

46

どちらかのVPN装置に接続

VPNによる一体化

The Internet

大阪大の学内LAN

大阪市大の学内LAN
大阪市大

globaladdress
学内のクライアント（重力波解析システムのVPNの外の端末。学生のパソ
コンなど）

VPN装置

他大学や自宅のクライアント

VPN装置
VPN配下のLAN (private address)

VPN配下のLAN (private address)

阪大

globaladdress

ファイル
サーバー

計算サーバー
計算サーバー

ファイル
サーバー

計算サーバー
計算サーバー

図 4: A04「多様な観測に連携する重力波探索データ解析の研究」の計算機
本研究室（大阪市大）と大阪大学で設置し、VPN によって一体化された計算機。2012 年度に導入した。

h̃ s̃
df
Sh

マッチドフィルター出力（ガウス雑音＋信号）

リングダウン重力波での数値シミュレーション（雑音有り）

MF出力（単位は任意）

S/N ~750 50
Declination [deg]

=

0

0

-50

-50

赤＋, 白0, 青ー (大きさは任意）

-0.1

-0.05

0

0.05

0.1

時刻[sec]

-150

-100

-50

-150

-100

-50

0

50

0
50
R.A. [deg]

100

150

100

150

図 5: シミュレーション：マッチドフィルター出力と天球マップ
それぞれの検出器での S/N はおよそ 7 である。

各検出器のアンテナ応答関数を考慮し、またマップから入射位置推定の定量的な考察を進める予定である。

47

4. 重力波検出器における時系列信号処理法の考案と確立 （山本）
現在、重力波検出においてレーザー干渉計型検出器が主流となっており、日本では基線長300m の検出器 TAMA300(国立天文台) による観測運転、基線長 100m の検出器 CLIO(岐阜県神岡鉱山) による低温鏡のプロトタイプ検出器としてのテスト運転が行われた。そして基線長 3km の検出器 KAGRA(岐阜県神岡鉱山) の建設が開始されている。
本研究では KAGRA の検出器雑音を時系列で連続的に再現するシミュレーション手法の構築、ならびに TAMA, CLIO 運転データを用いた時系列キャリブレーション手法の確立・評価を行った。
重力波の実データの信号較正やシミュレーションデータの生成は周波数領域で行うことが多い。この場合検出器時系列信号は Fast Fourier Transform(FFT) を用いて再現されることとなるが、FFT はその性質上、長時間の連続した時系列信号を処理することが難しく、信号に不連続点を生じさせてしまう。非定常雑音の議論や時系列データ解析においては、この不連続点がしばしば問題になりうる。
検出器信号のキャリブレーションは、検出器を通すことで電圧信号 v として得られる重力波
を、元の時空計量 h に再構成するために行われる。このとき重力波に対する検出器の周波数
応答 G が必要である。周波数領域においては式 (1) のようにして計算が可能であるが、先に述べた不連続点の問題から、周波数応答を FFT を用い時系列インパルス応答とし、式 (2) に示す畳み込み演算を用いた時系列での信号較正を行うことで、連続した時系列信号の再構成を可能とした。

h(f ) = G(f ) × v(f )∫⇔ h(t) = G(t − τ )v(τ )dτ

(1)
(2)

また時系列での較正信号と周波数での較正信号のスペクトル比較を行い、同等の検出器感度が再現されることを確認した (図 6)。
シミュレーションデータの生成においては、検出器の設計感度を複素周波数領域で応答関数化することで、時系列フィルタを実装し、散射雑音、輻射圧雑音を再現した (図 7)。また生成したシミュレーション信号に対して、Kolmogorov-Smirnov 検定を用い、時系列処理の過程
で信号のガウス性が有意水準 1%で失われていないことを確認した。連続した時系列信号の再現により非定常的な雑音の議論が可能となったので、TAMA の検出器信号をもとに、バー
スト的に振る舞うスパイクノイズなどをモデル化し、非定常・非ガウスノイズの埋め込みも行った。以上の研究により KAGRA データでの時系列信号処理に展望が拓けた。

図 6: CLIO の時系列較正信号 (緑) と周波数較正信 図 7: シミュレーションにより生成した KAGRA 時
号 (赤) のノイズ PSD

系列信号

48

5. 宇宙ひも起源重力波の数値評価と地上観測における検出可能性（譲原）宇宙ひもは初期宇宙における真空の相転移によってできたひも状の位相欠陥で、宇宙の発展にともないひも同士の再結合を繰り返され、重力波を放出することが理論的に予想されている。そこで今回は重力波の探索手段として、宇宙ひもを用いる。
宇宙ひもは生成された時期により長さが異なり、放出される重力波の振幅や放出頻度もひもの長さに依存する。到来頻度が稀で振幅が検出器雑音よりも十分に大きいものはバースト的な重力波として観測され、高頻度で到来し振幅が小さいものはそれらの重ね合わせにより背景重力波として観測されることが期待されている。本研究では、実際のデータ解析と同等の検出シミュレーションを行い、宇宙ひも起源の重力波探索に適したデータ解析方法を考え、
KAGRA の観測データを用いて重力波探索を行うことが目的である。そのために宇宙ひも起源の重力波信号を時系列で重ね合わせることで、検出器に到来した重力波信号を数値的に生成を行った。生成した重力波時系列信号の一例を図 8 に示す。図 9 は地上検出器を用いたときの背景重力波に対する感度と生成した重力波信号の平均スペクトルの比較である。

GW strain

宇宙の相転移によってできた宇宙ひもを通して初期宇宙の情報を得ることができる可能性があるため、早急に新しいデータ解析の方法を考え、重力波探索を行う必要がある。

Gµ = 10 7 , ↵ = 3 ⇥ 10 11time [sec]図 8: 生成した重力波時系列信号の一例.

49

h20

gw (f )

Gµ = 10 7 , ↵ = 3 ⇥ 10 11

Gµ = 10 9 ,= 10 9Gµ = 10 11 , ↵ = 10 9Frequency [Hz]図 9: 地上検出器を用いたときの背景重力波に対する感度と生成した重力波信号の平均スペクトルの比較.

6. GPGPU を用いた計算の高速化とその適用：重力波ラジオメトリ （田中、神田）
重力波が 2 台以上の検出器に入射すると、その時々の波源と検出器の相対的な配置によって検出される時間に差が生じる。この時間差は地球の自転、公転により時々刻々と変化する。
この時間差の変化を考慮した積分フィルターを用いることにより、波形を仮定せずに連続的な重力波源を全天で探索できる優れた解析手法である。しかしこの解析には長いデータの積
分 (約数年分) を全天の各方向に対して繰り返す冗長な計算が必要である。以下その計算を示す。∆S は統計量である。
∫∆S(t, Ω̂) = df s̃∗1 (f ; t)s̃2 (f ; t)Q̃(f, Ω̂; t)
ここで Q̃(f, Ω̂; t) をラジオメトリフィルターと呼びQ̃(f, Ω̂; t) = λγ ∗ (f, Ω̂)H(f )P1 (f )P2 (f )で表される。λ は規格化因子、H(f ) は観測重力波のパワースペクトル、P1 , P2 はそれぞれの検出器の雑音スペクトルを表す。また、アンテナパターン及び到来時間差の補正項である γは、γ(f, Ω̂) = ΣA=+,× F1A F2A e2πf iΩ̂·∆~x/cと書ける。重力波の到来方向 Ω̂ において、γ により s̃1 (f ),s̃2 (f ) の位相差が補正されるので統計量 ∆S が最大量をとる。この計算を GPGPU(画像処理演算装置による汎目的計算) を用
いて高速化する。
本年度はまずより詳しく GPGPU の特性を調べ (図 10)、またその一環として中性子星連星合体 (Compact Binary Coalescence, CBC) 解析での CPU との速度比較も行った (図 11)。
結果として、(1) データの入出力が少ない計算に対して GPGPU はより効果的であり、特にデータの入出力を全く行わない場合、高速フーリエ変換の GPU での実行速度は CPU での約 160 倍であった。(2)CBC 解析においても GPGPU は有用であることがわかった。また重力波ラジオメトリ計算全体への適用は現在継続中であり、田中一幸の 2012 年度物理学会年次大会においてその経過を発表している。

50

60

"cufft_time.txt" u 1:3"cufft_time.txt" u 1:5"cufft_time.txt" u 1:2"cufft_time.txt" u 1:4

GPU ioあり
50

CPU ioあり
GPU ioなし

fast

計算時間[sec]

40

CPU ioなし

30

20

10

0
1

10

100

1000

10000

1000001度に扱うデータの時間長[sec]2013年8月19日月曜日

図 10: GPGPU と CPU による高速フーリエ変換 (FFT) の速度比較

[sec]
3535

"watch_cpu2.txt" u 1:2"watch_cpu2.txt" u 1:5

GPU
30

CPU

calculationtime[sec]
計算時間[sec]

fast

25

20

15

10

5

0

0

100

200

300

400

500

600

700

テンプレート数

2013年8月19日月曜日

図 11: GPGPU と CPU による CBC 解析シミュレーションの速度比較

7. 超新星爆発からの重力波の検出可能性（浅野、神田）
地上で検出可能な重力波源の１つとして超新星爆発からの重力波が考えられている。超新星
爆発の際に、コアの質量分布の４重極モーメントが時間変化すると重力波が放出されることが期待される。超新星爆発からの重力波の特徴として以下の事があげられる。

• 短いバースト重力波 (∼ ms)• 周波数は 100 ∼ 1000Hz• 爆発メカニズムが完全に解明していないため正確な波形の予想が難しい
図 12 は H.Dimmelmeier の超新星爆発からの重力波の理論予想の１つであり [1]、10kpc で超新星爆発が起き、地上検出器の天頂方向から到来したときの重力波の波形のモデルである。鋭いピークがコアバウンスによる重力波である。この研究では、超新星爆発からの重力波 (図 12) が重力波検出器 KAGRA に到来したときのシミュレーションを行い、バースト重力波の解析方法を確立し、検出効率の距離依存性を見積もった。
具体的な解析方法として、地球中心の 100kpc 球内から超新星の位置をランダムに選出し、
重力波振幅、検出器との距離と方向からアンテナパターンを計算する。そして、重力波を

51

KAGRA のノイズのデータに埋め込み、そのときの信号雑音比 (S/N 比) を求める。以上の事を 10 万回シミュレーションすることで S/N のしきい値を決めて検出効率を見積もった。
図 13 に検出効率の距離依存性を示す。

図 12: Dimmelmeier,Font,Müler が予想する超新星爆発からの重力波形の１つ@10kpc

図 13: 検出効率の距離依存性

参考文献[1] H.Dimmelmeier,J.A.Font,E,Müler,”Relativistic simulations of rotational core collapse.II.Collapse dynamics and gravitational radiation”

52

8. ADC の量子化誤差の検討（鳥谷、神田）
レーザー干渉計型重力波検出器では、観測された干渉光の強度変化を Analog to Digital
Converter(ADC) でデジタル化して記録する。その際に重力波信号は非常に微弱なため、その探索において AD 変換によって生じる量子化誤差の影響は無視できない。そこで、KAGRAの信号取得系における ADC 起因の量子化雑音のレベルを見積もる必要がある。また、量子化誤差の重力波探索への影響を、数値シミュレーション等を用いて見積もる必要がある。
量子化誤差とは、標本化と量子化によって生じる誤差のことである。標本化とは、連続な入力電圧からその電圧の離散値を得ることである。量子化とは、その離散値を Dynamic Rangeと量子化 Bit 数によって決められるデジタルものさしの近い値に当てはめることである。つまり、入力電圧からデジタルの数値を得る AD 変換において生じる誤差のことを量子化誤差という。
本研究では、量子化雑音の時系列データから高速フーリエ変換 (FFT) によって量子化雑音
スペクトルを生成した。また、量子化単位である Least Signiﬁcant Bit(LSB) よりも小さい
1/10 や 1/100 の振幅を持つ正弦波を用いて量子化誤差による影響を評価した。
図 14 は量子化雑音の時系列データを生成し FFT によって得られた ADC の量子化雑音スペクトルを示している（図 14 中赤線）。図 15 は ADC 内に混在する電気ノイズと LSB √より小さな振幅の正弦波を量子化し、FFT と長時間積分により、ノイズフロアの平均値が 1/ T (T:
積分時間) に従うことや、長時間積分により正弦波の検出可能性を見積もったものである。
これより、LSB より小さな正弦波が長時間積分により検出可能であり、注入信号の振幅を再現できることを確認した。
[V]

Quantization noise[V/rHz]FFT

1/16384[

図 14: ADC の量子化雑音スペクトルの生成のスペクトル

[V]

1日積分

[V]

f[Hz]

左:量子化誤差の時系列

100日積分

f[Hz]

[V]

f[Hz]

右:FFT 後の量子化雑音

1年積分

f[Hz]

図 15: LSB 以下の正弦波の検出可能性を見積もるシミュレーション 左:１日積分 中:１００日積分 右:１年積分53教育・研究業績
学術論文
1. “The Japanese space gravitational wave antenna: DECIGO”,
Seiji Kawamura, N.Kanda(7 番目) et al (計 145 名),Class. Quantum Grav. 28 094011
2. “The cross-correlation search for a hot spot of gravitational waves : Numerical study forpoint spread function”,
Yuta Okada, Nobuyuki Kanda, Sanjeev Dhurandhar, Hideyuki Tagoshi, Hirotaka Takahashi
Proceedings of 9th Amaldi and NRDA conference, arXiv:1112.3090

国際会議会議録
1. APRIM2011 “LCGT and the global network of gravitational wave detectors”,
Nobuyuki Kanda and the LCGT collaboration,
Proceedings of 11th Asian-Paciﬁc Regional IAU Meeting, arXiv:1112.3092

国際会議講演
1. 山本尚弘：Poster session : “Seamless time series for KAGRA noise and GW numericalsimulation”,
Gravitational Wave Physics & Astronomy Workshop(GWPAW) 2012, June 4-7 2012, Hannover Germany
2. 譲原浩貴：Poster session: “Continuum, Grain and Burst Behaviors of Stochastic Gravitational Waves from Cosmic Strings by Numerical Simulation ,Gravitational Wave Physics & Astronomy Workshop(GWPAW) 2012, June 2012, Hannover Germany
3. 田中一幸：Poster session : “GPGPU for rapidly processing of Gravitational Wave Radiometry and Prospects for Virgo-cluster Hotspot ,Gravitational Wave Physics & Astronomy Workshop 2012, June 4-7 2012, Hannover (Germany)

学会・研究会講演
1. Nobuhyuki Kanda : “Gravitational Waves : Fundamentals of Detection and Scientiﬁc
Prospects”（招待講演）
Kobayashi-Maskawa Institute Seminar, 28th November 2012, Nagoya Univ.
2. 神田展行 “重力波観測実験の現状と多様な観測に連携するデータ解析”（基調講演）
ガンマ線バースト研究会 １１月２９日 於：金沢
3. 神田展行 “時間領域でみる重力波信号の解析とフォローアップ観測”日本天文学会 2012 年秋季年会 大分大学 ９／２０／２０１２セッション「時間領域の
天文学」

54

4. 神田展行 “天球マップの畳み込み逆解きによる重力波源方向の決定精度”
大阪市立大 神田展行，KAGRA collaboration 3/26/2012 日本物理学会「第 68 回年次大会」（広島大）5. 山本尚弘 “定常・非定常・非ガウス雑音を再現する KAGRA 解析用時系列シミュレーション
データの生成”
日本物理学会 2012 年秋季大会, 京都産業大学
6. 山本尚弘 “CLIO 観測データの較正およびシミュレーションへの検出器系統誤差の組み込み”
日本物理学会 第 68 回年次大会, 広島大学
7. 譲原浩貴 “Cosmic String 起源重力波の数値シミュレーション”, 日本物理学会 2012 年秋季大会, 2012 年 9 月, 京都産業大学
8. 譲原浩貴 “Cosmic String 起源重力波の数値シミュレーション 2 - 時系列データの生成”, 日本物理学会 第 68 回年次大会, 2013 年 3 月, 広島大学
9. 田中一幸 “GPGPU の適用による重力波ラジオメトリ計算の高速化”
日本物理学会 2012 年秋季大会, 京都産業大学
10. 田中一幸 “GPGPU を用いた重力波ラジオメトリ：シミュレーションと計算の高速化”
日本物理学会 第 68 回年次大会, 広島大学
註：上記は登壇者が当研究室のものに限る。

学位論文
1. 浅野光洋 “超新星からの重力波とニュートリノの同時観測について”
2. 鳥谷仁人 “連続重力波解析における ADC の量子化雑音の検討”

修士論文
1. 山本尚弘 “重力波検出器の時系列信号: 観測データの較正と複素周波数を用いたノイズシミュ
レーション(英語題 : Time series signal of gravitational wave detectors: Calibration of observational
data and noise simulation using complex frequency method)”
2. 譲原浩貴 “Cosmic String 起源重力波の数値評価と 地上観測における検出可能性 (英語題
: Numerical evaluation of Cosmic String s gravitational waves and its detectability on
ground-based observatory )”研究助成金取得状況
1. 科学研究費補助金「GPGPU を用いた重力波ラジオメトリ計算の高速化」（基盤 (C)、代表：
神田展行、H23-25 年度）
2. 科学研究費補助金 新学術領域研究 「重力波天体の多様な観測による宇宙物理学の新展開」
計画研究 A04「多様な観測に連携する重力波探索データ解析の研究」（代表：神田展行、H24-28
年度）
3. 科学研究費補助金 新学術領域研究 「重力波天体の多様な観測による宇宙物理学の新展開」
総括班 「重力波天体の多様な観測による宇宙物理学の新展開の総括的研究」（代表：中村卓
史 (京都大学)、分担：神田展行ほか、H24-28 年度）

55

海外出張および海外研修
1. 山本尚弘：Gravitational Wave Physics & Astronomy Workshop(GWPAW) 2012, June 4-7
2012, Hannover Germany
2. 譲原浩貴：Gravitational Wave Physics & Astronomy Workshop(GWPAW) 2012, June 4-7
2012, Hannover Germany
3. 田中一幸：Gravitational Wave Physics & Astronomy Workshop 2012, June 4-7 2012, Hannover (Germany)
4. 田中一幸：日本学術振興会二国間交流事業（日印）による派遣 IISER-TVM (Indian Instituteof Science Education and Research, Thiruvananthapuram) 12/11-16/2012

その他
1. 神田展行, 山本尚弘, 譲原浩貴, 田中一幸, 浅野光洋, 鳥谷仁人, 第一回 KAGRA データ解析
スクール, 2012 年 9 月 2-5 日, 東京大学 本郷キャンパス
2. 神田展行, 山本尚弘, 譲原浩貴, 田中一幸, 浅野光洋, 鳥谷仁人, 第二回 KAGRA データ解析
スクール, 2013 年 2 月 20-22 日, 国立天文台
上記ふたつの出張には、学生は参加者の手伝いを行うチューターとして参加した。またス
タッフは運営に携わった。

56

宇宙・素粒子実験物理学研究室
寺本吉輝
中野英一

准教授
准教授

松原大輔 (M2)吉田武史 (M1)
池口直人 (B4)木村遥 (B4)
堤亮太 (B4)

研究概要
1. KEK B ファクトリー加速器による素粒子実験 (Belle 実験)．
（ 寺本，中野）高エネルギー加速器研究機構の Belle 実験装置を用いた国際共同実験を行なっている．Belle 実
験装置は，B ファクトリー加速器を用いた電子・陽電子反応によって B 中間子対を大量生産して，CP の破れの検証や B 中間子の稀崩壊の測定などを目的とした装置である．2012 年度は，実験結果の集大成の論文を発表した（ 図 1，学術論文 1 ）．また，高統計のデータを利用して共鳴状態の探索を行ない，ハド ロン物理の解明にも寄与している（ 学術論文 5，7，10，23 ）．

図 1. B 0 → J/ψ(cc̄)K 0 反応の CP 非対称性．上側: 反応の時間分布，下側: 粒
0子と反粒子の反応差比の時間分布．左側:B 0 → (cc̄)KS0 ．右側:B 0 → J/ψKL．赤

色: 粒子 (B 0 )，青色: 反粒子 (B̄ 0 )．

2. マイクロパターン・ガスデ ィテクター (MPGD) の研究開発．
（ 中野，吉田，池口）
薄型で 2 次元読みだしを行なえるガス測定器の１つである
ガス電子増倍器 (GEM) の他分野への応用をはかる目的で，高エネルギー加速器研究機構，東北学院大学，東京農工大学，近畿大学との共同研究を行なっている．2012 年度は，He ベース
ガスを用いた物質量が少ない GEM の開発，X 線測定用 GEMの開発，Maxwell（ 電場計算） と Garfield を用いた GEM のシミュレーションなどを行なった．荷電粒子検出器としては，
小型の TPC の増幅部に GEM を用い，宇宙線テストを行ない，基本特性を評価した．

3. 平行板型素粒子検出器の研究開発．
（ 寺本，中野，堤）

図 2: RPC のテスト風景．

高抵抗板素粒子検出器 (RPC) は，平行な高抵抗板の間にガスを入れ，高抵抗板に 8〜10 kV の電圧をかけることにより，荷電粒子がこれを通過したとき，その位置と時間を測定できる装置である．2012 年度は，Garfieldを用いた RPC のシミュレーションなどを行なった．

57

4. ネットワーク型宇宙線観測装置を使った宇宙線観測．
（ 寺本，木村）
都道府県にまたがって時間相関を持って到来する宇宙線を観測するために，宇宙線の到来時間
を GPS を用いてマイクロ秒の精度で決定できる空気シャワー観測装置を作り，高校や科学館などに配備している．2012 年度は，大阪市立科学館で展示している装置のソフトウェアーを改良した．

5. Belle II ド リフトチェンバー (CDC) の準備研究．
（ 中野）2015 年に実験開始が計画されている SuperKEKB 加速器を使った Belle II 実験の中央飛跡検出器の開発を進めている．2012 年度は，ド リフト電場の計算をして，シミュレーションを用いたドリフト時間と距離の関係を求めた．この結果は，Belle II のシミュレーションに組み込まれる予定．
また，実機 CDC の製作を始めた．
6. Belle II K 0 µ 検出器 (KLM) の準備研究．
（ 中野）
インディアナ大学で開発中の KLM 用エレクトロニクスのテストのために研究室で製作した RPCを送った．

教育・研究業績
学術論文
1. (Belle Collaboration): “Physics Achievements from the Belle Experiment”, Prog. Theor.
Exp. Phys. 04D001 (2012) DOI: 10.1093/ptep/pts072.
2. （ Belle Collaboration): “Evidence for B − → Ds+ K − l− ν̄ and search for B − → Ds∗ + K − l− ν̄”,
Phys. Rev. D86, 072007 (2012).
3. （ Belle Collaboration): “First observation of CP violation and improved measurementof the branching fraction and polarization of B 0 → D∗+ D∗− decays”, Phys. Rev. D86,
071103(R) (2012).
4. （ Belle Collaboration): “Search for B 0 decays to invisible final states”, Phys. Rev. D86,032002 (2012).
5. （ Belle Collaboration): “First study of ηc , η(1760) and X(1835) production via η 0 π + π −final states in two-photon collisions”, Phys. Rev. D86, 052002 (2012).
6. （ Belle Collaboration): “Search for B → φπ decays”, Phys. Rev. D86, 031101(R) (2012).
7. （ Belle Collaboration): “Evidence for the ηb (2S) and observation of hb (1P ) → ηb (1S)γand hb (2P ) → ηb (1S)γ, Phys. Rev. Lett., 109, 232002 (2012).
8. （ Belle Collaboration): “Measurement of branching fraction and first evidence of CP±
violation in B 0 → a±
1 (1260)π decays”, Phys. Rev. D86, 092012 (2012).
9. （ Belle Collaboration): “Measurement of γγ ∗ → π 0 transition form factor at Belle”, Phys.
Rev. D86, 092007 (2012).
10. （ Belle Collaboration): “First observation of exclusive Υ(1S) and Υ(2S) decay into light
hadrons”, Phys. Rev. D86, 031102(R) (2012).
11. （ Belle Collaboration): “First measurement of φ3 with a model-independent Dalitz plot
analysis of B → DK, D → Ks ππ decay”, Phys. Rev. D85, 112014 (2012).
12. （ Belle Collaboration): “Measurments of branching fractions and time-dependent CP
violation asymmetries in B 0 → D(∗)± D∓ decays”, Phys. Rev. D85, 091106(R) (2012).
13. （ Belle Collaboration): “Evidence for CP violation in the decay D+ → Ks0 π + ”, Phys.
Rev. Lett. 109, 021601 (2012).

580

14. （ Belle Collaboration): “Measurement of B 0 → J/ψη ( ) amd constraint on the η-η 0 mxing
angle”, Phys. Rev. D85, 091102(R) (2012).
15. （ Belle Collaboration): “Search for time-dependent CP T violation in hadronic and semileptonic B decays”, Phys. Rev. D85, 071105(R) (2012).
16. （ Belle Collaboration): “Search for double charmonium decays of the P -wave spin-triplet
bottomonium states”, Phys. Rev. D85, 071102(R) (2012).
17. （ Belle Collaboration): “Observation of new resonant structures in γγ → ωφ, φφ and ωω”,
Phys. Rev. Lett. 108, 232001 (2012).
18. （ Belle Collaboration): “First observations of Bs0 → J/ψη and Bs0 → J/ψη 0 ”, Phys. Rev.
Lett. 108, 181808 (2012).
19. （ Belle Collaboration): “Precise measurement of the CP violation parameter sin 2φ1 in
B 0 → (cc̄)K 0 decays”, Phys. Rev. Lett. 108, 171802 (2012).
20. （ Belle Collaboration): “Measurement of the CP -violation parameter sin 2φ1 with a newtagging method at the Υ(5S) resonance”, Phys. Rev. Lett. 108, 171801 (2012).
21. （ Belle Collaboration): “Observation of two charged bottomoniun-like resonances in Υ(5S)
decays”, Phys. Rev. Lett. 108, 122001 (2012).
22. （ Belle Collaboration): “Search for CP violation in D meson decays to φπ + ”, Phys. Rev.
Lett. 108, 071801 (2012).
23. （ Belle Collaboration): “First observation of the P -wave spin-singlet bottomonium states
hb (1P ) and hb (2P )”, Phys. Rev. Lett. 108, 032001 (2012).

学会・研究会講演
1. 中野英一，宇野彰二：「 He ベースガスを用いた GEM の開発」日本物理学会
総会 広島大学

2013 年春の研究助成金取得状況
1. 中野英一：新学術領域研究「多彩なフレーバーで探る新しいハド ロン存在形態の包括的研究」
計画研究「 B ファクトリー実験におけるエキゾチックハド ロンの研究」65 万円．

海外出張および海外研修
1. 中野英一：漢陽大学（ 韓国），2013 年 1 月 20 − 24 日，トリガー DAQ ワークショップ出席59

素粒子論研究室
中尾憲一	
 

教授

阿部博之(D4)
寺川達哉(D3)
西川隆介(D2)
速水真裕(D2)

宇野竜也(D1)
根岸宏行(M2)
稲畑稔秋(M1)

研究概要
	  我々をとりまく世界で起こるあらゆる事象は、クォークとレプトンそしてヒッグス粒子と呼ばれる素粒子の相互作用として理解できると考えられています。相互作用には、重力相互作用、電磁相互作用、弱い相互作用、強い相互作用の４つが知られており、これらの相互作
用はゲージ粒子とよばれる粒子が媒介すると考えられています。重力相互作用を除く３つの相互作用に関しては、すでにその存在は実験的に確かめられていますが、重力相互作用を媒介するゲージ粒子だけは、間接的にその存在は確かめられてはいますが未だに直接観測はなされていません。また、重力相互作用だけが未だに量子論的な枠組みでの記述に成功していません。その理由は、重力相互作用が他の相互作用と比べて極端に弱く、そのためにその量子論的な性質を実験的に確認することが極めて困難だからです。一番身近な力でありながら、実験的にも理論的にも未だに未知の部分が多い重力相互作用は、２１世紀に残された物理学における最大のテーマの一つといえます。この研究室では、この重力相互作用を中心に様々な研究を行っています。2012年度に行った研究は以下の通りです．	
 1. 時空特異点（Trans-Planckian domain）
	  強い重力場を記述する古典理論の最有力候補である一般相対論によれば、巨大質量の星はその進化の最終段階で、自らが生み出す重力によって限りなく収縮していきます．この現象
は重力崩壊と呼ばれ、エネルギー密度や圧力、温度、そして時空の曲率といった物理量が無限大になる‘領域’が最終的に形成されます．この領域は時空の裂け目のような構造を持ち、時空特異点と呼ばれています．時空特異点は、一般相対論を含めた既知の物理法則の適用範囲外にあり、重力相互作用の量子論的な性質が現れる非常に興味深い領域（trans-Planckian
domain）である可能性があります．時空特異点は観測可能性という観点から二種類に大別することができます．一つは、我々のような観測者がそこに行かない限り見ることのできないタイプのものであり、ブラックホールはその一例です．そしてもう一つは、原理的に観測可能なタイプであり、「裸の時空特異点」と呼ばれています．この裸の特異点は、もし我々の宇宙に存在するならば、実験的・観測的に重要な意味を持ちます．
	  今年度は、裸の特異点周りで粒子衝突のエネルギーが、素粒子間の重力相互作用が無視できなくなるスケール（＝重力の量子論的効果が重要になるエネルギースケール）以上になりうるというPatil-Joshi効果について研究を行いました．この研究は、現在も継続中です．
2. ブラックホール物理学
	  ブラックホールはこの研究室のライフワーク的な研究テーマの一つです．ブラックホール
は，強い重力場を伴う時空構造の典型的な例の一つであり，観測的にもその存在が強く示唆されているだけでなく，現在計画中あるいは既に動き始めた観測プロジェクトによって，近い将来にその詳細な性質がさらに明らかになると期待されています．その観測をにらみ，本物理学科の宇宙物理研究室、及び大阪大学の田越秀行助教と共同で，ブラックホール磁気圏などのブラックホール周りの物理現象，物理過程の研究を進めています．

60

	  またブラックホールは、ダークマターの候補の一つです。しかしながら、素粒子的なダー
クマター候補と異なり、ブラックホールは自己重力が極めて強いので、その多体系が塵状物質と同様に宇宙膨張を引き起こすのかどうかは自明ではなく、未だかつて満足のいく解析が行なわれたことは有りませんでした。私たちの研究室では、京都大学基礎物理学研究所の柳哲文博士と協力し、ブラックホール宇宙の初期条件の構成とその解析を行ないました。
3. ダークエネルギー問題及びコペルニクス原理の検証	  我々の宇宙は現在、加速膨張しているように見えます．より厳密に言うと、宇宙の物質・
輻射分布や空間の幾何学的性質が一様等方とするならば、現在得られている観測結果は、宇宙空間の膨張速度が加速していることを意味する、ということです。さらに、アインシュタインの一般相対性理論が正しい重力理論だと仮定すると、この観測事実は、宇宙空間に負の圧力（正の張力）を持つダークエネルギーと名付けられた不可解なエネルギーが満ち満ちているということを意味します．このダークエネルギーの起源は未だに分かっていません。この問題をダークエネルギー問題と呼んでいます．上記の説明から分かるように、観測事実か
らダークエネルギーの存在を演繹するために２つの仮定をしています．一つ目は「宇宙は一様等方」、二つ目は「一般相対論が正しい」です．この二つの仮定のうち一つでも正しくな
いということになれば、ダークエネルギーの存在を仮定せずに観測事実の説明ができる可能性が存在します．
	  我々のグループは、ダークエネルギー問題に対する一つのアプローチとして、「我々の宇宙は一様等方」という仮定の妥当性に注目し研究を進めています。より厳密に述べると、「我々の住んでいる場所は特別な場所ではない」というコペルニクス原理の観測的検証に関する研究です。現在観測されている宇宙背景放射は、我々の固有速度が起源と考えられている双極子的な非等方性を除けば非常に等方的です。もしコペルニクス原理が正しければ、我々の場所以外でも宇宙は等方的に見えるはずです。幾何学的考察から、あらゆる点で等方な時
空は一様等方であることがわかりますから、コペルニクス原理を仮定すると宇宙背景放射の等方性は我々の宇宙の一様等方性を強く示唆します。しかし、もしコペルニクス原理が正し
くなく、我々が宇宙の特殊な場所（例えば、我々の場所から見た場合だけ等方に見える非一様な宇宙）に住んでいるとしたら、これまでの宇宙論は多少の変更を受けます。具体的に述べると、ダークエネルギーの存在、あるいはその総量といった宇宙論パラメターの測定値です。それゆえ、コペルニクス原理を観測的に確認する作業は、精密科学として進展著しい宇宙論において、非常に重要な意味を持ちます。
	  昨年度から引き続き、京都大学基礎物理学研究所の柳哲文博士と共同で、物質優勢の宇宙における極めて大きなボイドの中心に我々が位置する宇宙モデルの研究を密度ゆらぎの進化に注目して進めています．また、非コペルニクス的な非一様性が宇宙論パラメターの測定に与える影響に関する研究を進めました。

教育・研究業績
学術論文
1. R. Nishikawa, C-M. Yoo, K. Nakao : “Evolustion of density perturbations in a large void
universe”, Phys. Rev. D, 85, 103511 (10 pages) (2012).
2. C-M. Yoo, H. Abe, Y. Takamori, K. Nakao: “Black hole universe: construction and analysis ofinitial data”, Phys. Rev. D, 86, 044027 (13 pages) (2012).

国際会議・国際研究会講演
1. R. Nishikawa, C-M. Yoo, K. Nakao：“Evolution of density perturbations in large void universe”,

61

2.
3.

The 13th Marcel Grossmann Meeting, 2012年7月5日，スエーデン ストックホルム大学
K. Nakao：“Stability of thin-shell wormhole against the matter passing through it”, The workshop
on theories and possiblities of observations of wormhole, 2012年10月28日，立教大学
K. Nakao, Y. Takamori, M. Kimura, H. Ishihara：“On Meissner effect of extreme black hole”，
6th workshop on black hole magnetosphere, 2013年3月5日，台湾 清華大学

学会・研究会講演
1. 宇野竜矢，中尾憲一，木下俊一郎：「物質の通過に対するワームホールの安定性」
日本物理学会	
  第６８回年次大会，広島大学
2. 根岸宏行，中尾憲一，柳哲文，西川隆介：「宇宙の非一様性がダークエネルギーの状態
方程式の測定結果に与える影響」	
  日本物理学会	
  第６８回年次大会	
  広島大学3. 根岸宏行：「宇宙の非一様性がダークエネルギーの状態方程式の測定結果に与える影響」	
 第２回相対論合宿型研究会 2013年3月13日 茨城大学
4. 中尾憲一：「ポストニュートン重力における量子力学」	
  第２回相対論合宿型研究会 2013年3月13日 茨城大学

学位論文
修士論文
1. 根岸宏行：「宇宙の非一様性がダークエネルギーの状態方程式の測定結果に与える影響」

海外出張および海外研修
1.
2.
3.

4.

西川隆介：スエーデン ストックホルム大学、2012年7月1〜9日、The 13th Marcel Grossmann
Meeting 出席・発表
中尾憲一：台湾 清華大学、2013年3月4〜8日、The 6th workshop on black hole magnetosphere
世話人・出席・発表
西川隆介：フランス	  AstroParticule et Cosmologie 2012年10月1日〜2013年9月30日〔但し2013年9月1日〜9月28日は、イギリス	  ケンブリッジ大学に滞在予定〕JSPS頭脳循環を加速する若手研究者戦略的海外派遣プログラムによる海外研修
中尾憲一：イギリス	  ケンブリッジ大学 2013年3月21日〜2013年9月21日、在外研究員

62

数理物理研究室	
 
糸山浩司	
  教授	
 
安井幸則	
  准教授	 大橋圭介	  特任助教	 	 大田武志（数学研究所員）	
  矢野航平	 (M2)	
 吉岡礼治（数学研究所員）	
  青柳和仁	 (M2)	
 米澤信拓（数学研究所員）	
  廣岡隆孝	 (M1)	 赤阪昌也	 (B4)	 宝利	
  剛（数学研究所員）	
 杉本裕司	
 (B4)	 出口	  翔	
 (D2)	 樋ノ上	
 和貴	 (D1)	
 研究概要
	
 1. β 変 形 行 列 模 型 と Nekrasov分 配 関 数 （ 糸 山 ・ 大 田 ・ 吉 岡 ） 	
 Selberg型β変形行列模型と超対称ゲージ理論のNekrasov分配関数のあいだの対応について、q-変形Virasoro代数やW代数の立場からの研究を行っている。4次元の2d-4d対応が自動的に生成されるqが冪根への極限手続きを確立した。	
 2.	
 DDSB(D-term	 Triggered	
 Dynamical	
 Supersymmetry	
 Breaking)（ 糸 山 ） 	
 	
  丸（大阪市立大学）と共に提案したD-termを引き金にする超対称性の力学的破れの新しい機構をさらに進展させた。変分原理に基づき超対称性の破れのorder	
 parameterを決定する
formalismを確立し、数値計算を含め実証した。	
 3.	
 Knotの Colored	
 HOMFLY	
 polynomialに 関 す る 進 展 （ 糸 山 ） 	 	 	  Knot不変量はChern-Simons	
 理論のObservableであり、共形blockのmodular	 propertyとも関係している。Mironov,	
 Morozov,	
 An	
 Morozovと協力して、対称表現に対する一般のHOMFLY
多 項 式 を 求 め た 。 Racah 行 列 と の 対 応 か ら 一 般 の 表 現 に 対 す る 公 式 を 更 に 追 究 し 、eigenvalue	 hypothesisという形にまとめた。	
 4.	
  超 弦 （ 紐 ） 理 論 に 於 け る Fayet-Iliopoulos項 の 計 算 （ 矢 野 ・ 糸 山 ） 	
 	 	 タイプI系列のZ3	
 orbifold	
 compact化に於いて、過去の文献の結果を覆しFI項が消えないという結果を得ている。	
 5.	
 超 重 力 理 論 の ブ ラ ッ ク ホ ー ル 解 の 対 称 性 の 解 析 （ 安 井 ・ 宝 利 ） 	
 
物質場のない真空中の高次元ブラックホール時空の“隠れた対称性”は共形キリング・矢野テンソルと呼ばれる特別なテンソル場が存在することから理解することができる。物質場が存在するときこのような対称性はどうなるのか？	
  超弦理論・超重力理論の舞台となる高次元時空には重力以外にスカラー場、反対称テンソル場等々いろいろな物質場が存在する。我々は、超重力理論の高次元ブラックホール時空にも“隠れた対称性”が存在し「ねじれ」を持つ共形キリング・矢野テンソルがそのような対称性を記述することを明らかにした。そして、このような高次元時空の組織的な分類を行った。	
 6.	
 例 外 型 ホ ロ ノ ミ ー を 持 つ 超 重 力 理 論 の イ ン ス タ ン ト ン （ 安 井 ・ 樋 ノ 上 ） 	
 超重力理論の超対称性を持つ古典解は時空のＧ構造として捕えることができる。こうして重力場だけでなくＢ場やスカラー場などの物質場に対しても幾何学的な解釈が可能となる。我々は、例外型のＧ構造を使って超対称なインスタントン解を構成する新しい方法を開発した。	
 63

7. Lieb-Liniger模 型 （ LL模 型 ） の 持 つ 量 子 ホ ロ ノ ミ ー の 研 究 （ 米 澤 ） 	
 
LL模型は、その結合定数が+∞の極限（Tonks-Girardeau状態）と-∞の極限（super-Tonk
s-Girardeau状態）が滑らかにつながることが理論と実験で確かめられている。このこと
から、我々は結合定数を+0から断熱的に増加させていき、+∞の極限を経て-∞の極限を通過し、-0に至るというサイクルを考案した。このサイクルでは、初期ハミルトニアンと最終ハミルトニアンが同一のものとなるにも拘わらず、最終状態は初期状態と異なることを明らかにした。これは量子ホロノミーと呼ばれる現象であり、近年活発に行われている冷却原子系の実験で検証される可能性があるという点で重要である。	
 8. 超 対 称 性 理 論 に お け る ボ ー テ ッ ク ス (大 橋 )	 超対称性理論のボーテックス解について、そのソリトン上の有効理論の高階微分補正の研究、特殊な系で見つかる厳密解の構成、	
 ボーテックス有効理論の分配関数の研究、ボーテックス解を宇宙論に応用した場合に議論できる超対称性を破る機構を含むモデルへの制限の研究、など様々な角度から研究を行っている。	
 9. カ ル ツ ァ -ク ラ イ ン ブ ラ ッ ク ホ ー ル の 隠 れ た 対 称 性 	
 (宝 利 )	 余剰次元がコンパクト化されているブラックホール（カルツァ-クラインブラックホール）の隠れた対称性、とくにキリング矢野対称性についての研究を行った。このような時空は漸近的に平坦ではないため、従来扱われてきたものとは性質の異なるキリング矢野対称性を有する。我々の研究では、超重力理論の枠組みで、これまで発見されているカルツァクラインブラックホールのキリング矢野対称性について調べ、その性質を尊重する最も一般的な解を構成した。最近は、ブラックストリングやブラックブレーン等様々なブラック
オブジェクトの隠れた対称性について研究している。	
 教育・研究業績
著書
1. K. Ito, H. Itoyama, H. Kanno, T. Kobayashi, K. Ohta and T. Oota (eds.), Proceedingsof the International Conference “Progress in Quantum Field Theory and String
Theory”, Osaka City University, Japan, April 3-7, 2012, Int. J. Mod. Phys.: Conf. Ser.
Volume 21 (2013).
2. K. Ito, H. Itoyama, H. Kanno, T. Kobayashi, K. Ohta and T. Oota (eds.), SPECIAL
ISSUE ---Selected Papers on the Progress in Quantum Field Theory and String
Theory, Int. J. Mod. Phys. A, Volume 28, Number: 03n04 (10 February 2013).
学術論文
1. H. Itoyama, A. Mironov, A. Morozov and An. Morozov: Eigenvalue hypothesis for Racahmatrices and HOMFLY polynomials for 3-strand knots in any symmetric and antisymmetricrepresentations, Int.J.Mod.Phys. A28 (2013) 1340009
2. Hiroshi Itoyama and Nobuhito Maru: “D-term Dynamical SUSY Breaking”,
Int.J.Mod.Phys.Conf.Ser. 21 (2013) 42
3. H. Itoyama, A. Mironov, A. Morozov and An. Morozov: “Character expansion for HOMFLY
polynomials. III. All 3-Strand braids in the first symmetric representation”, Int.J.Mod.Phys. A27(2012) 1250099
4. H. Itoyama and Nobuhito Maru: “D-term Dynamical Supersymmetry Breaking Generating Split
N=2 Gaugino Masses of Mixed Majorana-Dirac Type”, Int.J.Mod.Phys. A27 (2012) 1250159
5. T. Houri, H. Takeuchi and Y. Yasui: “A Deformation of Sasaki Structure in the64

Presence of Torsion and Supergravity Solutions”, Class. Quant. Grav. 30: 135008(2013). (arXiv:1207.0247)
6. T. Houri and K. Yamamoto: “Killing-Yano symmetry of Kaluza-Klein black holes infive dimensions”, Class. Quant. Grav. 30: 075013 (2013).	
  (arXiv:1212.2163)
7. N. Yonezawa, A. Tanaka, T. Cheon, “Quantum holonomy in the Lieb-Liniger model,” Phys. Rev. A 87, 062113 (2013).
8. A. Tanaka, N. Yonezawa, T. Cheon, “Exotic quantum holonomy and non-Hermiti
an degeneracies in two-body Lieb-Liniger model,” J. Phys. A: Math. Theor. 46, 3
15302 (2013).
9. K. Kamada, T. Kobayashi, K. Ohashi, Y. Ookouchi, “Cosmic R-string in thermal
history” JHEP 1305 (2013) 091.
10. M. Eto, Y. Hamada, K. Kamada, T. Kobayashi, K. Ohashi, Y. Ookouchi, “Cosmic
R-string, R-tube and Vacuum Instability” JHEP 1303 (2013) 159.
11. M. Eto, T. Fujimori, M. Nitta, K. Ohashi “All Exact Solutions of Non-Abelian
Vortices from Yang-Mills Instantons” JHEP 1307 (2013) 034.
12. T. Fujimori, T. Kimura, M. Nitta, K. Ohashi, “Vortex counting from field theory”
JHEP 1206 (2012) 028.
13. Minoru Eto, Toshiaki Fujimori, Muneto Nitta, Keisuke Ohashi, Norisuke Sakai,“Higher Derivative Corrections to Non-Abelian Vortex Effective Theory” Prog. Theor.
Phys. 128 (2012) 67-103.
国際会議会議録
1. T. Oota, “Beta-deformed matrix models and Nekrasov partition function,” Int. J. Mod.
Phys.: Conf. Ser. 21, 92-100 (2013).
2. T. Houri, ''KILLING-YANO SYMMETRY IN SUPERGRAVITY THEORIES,'' Int. J.
Mod. Phys.: Conf. Ser. 21, 132-136 (2013).

国際会議講演
1. T. Oota, “Beta-deformed matrix models and Nekrasov Partition Functions,” Progressin Quantum Field Theory and String Theory, Media Center, Osaka City University,
Osaka, Japan, Apr 4, 2012.
2. T. Houri, “Local metrics admitting a principal Killing-Yano tensor with torsion,” The
13th Marcel Grossmann Meeting, Stockholm, Sweden, Jul 6, 2012.
3. T. Houri, “Killing-Yano symmetry in supergravity theories,” Progress in Quantum
Field Theory and String Theory, Media Center, Osaka City University, Osaka, Japan,
Apr 6, 2012.
学会・研究会講演1.	
 	
 糸山浩司：”D-term	
 Dynamical	
 Supersymmetry	
 Breaking”2012年7月21日，素粒子物理学の進展2012，京都大学基礎物理学研究所	
 2.	
  糸山浩司：	
 ”D-term	 Triggered	
 Dynamical	
 Supersymmetry	
 Breaking”(招待講演)2013
年3月20日，KEK理論研究会2013，超弦理論から現象論への新たな展望ー，ＫＥＫ	
 研究本館	
  小林ホール	 3.	
  安井幸則:	 “佐々木構造の変形と超重力理論の厳密可解”場の理論と弦理論2012年7月24日,	
 京都大学基礎物理学研究所	
 4. 安井幸則:	
 “Einstein	 Metrics	
 from	
 Hidden	 Symmetry”茨木大学素粒子論セミナー,	
 2012
年10月29日	
 5. 安井幸則:	
 “Hidden	
 Symmetry	
 and	
 Exact	 Solutions	 in	
 Higher	
 Dimensional	
 Gravity”

65String	 Theory	
 Mini-workshop	
 at	
 NCTU,	
 台湾,	
 2012年11月23日	
 6. 安井幸則:	
 “Dimension	
 Bound	 of	
 Conformal	
 Killing-Yano	
 Tensor”	
 特異点研究会,	
 大
阪経済法科大学,	
 2013年1月13日	
 7. 安井幸則:	
 “Hidden	
 Symmetry	
 and	
 Exact	 Solutions	 in	
 Supergravity	
 Theories”研究会「エキゾチック時空幾何とその応用」理化学研究所,	
 2013年2月23日	
 8. 安井幸則:	
 “Conformal	
 Killing-Yano	
 Tensor”相対論合宿研究会,	
 茨木大学,	
 2013年3月14	
 9. 米澤信拓：「Lieb-Liniger模型とホロノミー」	
 日露共同研究ミニワークショップ,	 ヴィ
アーレ大阪	
 5階新会議室	
 レガート,	
 大阪市中央区安土町3-1-3,	
 2013年3月23日.	
 10. 米澤信拓：「一次元ボーズ系での固有値・固有空間のアンホロノミー：	
 (I)	
 擬運動量を使ったアンホロノミーの計算」日本物理学会2013年年次大会,	
 広島大学	
 東広島キャンパ
ス,	
 2013年3月28日	
 11. 吉岡礼治：	
 “Some	 aspects	
 of	
 q-Virasoro/W	 blocks”	
 日露共同研究ミニワークショップ,	
 大阪科学技術センター,	 2013年3月24日	
 12. 樋ノ上和貴：「例外型ホロノミーを持つヘテロ型超重力理論における重力インスタントン」
2012年度原子核三者若手夏の学校素粒子論パート研究会,	
 2012年8月3日	
 13. 樋	
 ノ上和貴，安井幸則：「例外型ホロノミーを持つヘテロ型超重力理論におけるインス
タントン」	
  日本	
 物理学会	
  京都産業大学,	
 2012年9月11日	
 14. 樋ノ上和貴：「Supergravity	
 solution	
 with	 G2	 and	
 Spin(7)-structure」	
 String	 Theory	 Mini-workshop	
 at	
 NCTU	
 台湾国立交通大学,	
 2012年11月23日	
 15. 樋ノ上和貴：「Supersymmetric	
 solution	
 with	 G2	 and	
 Spin(7)-structure」日露共同研
究ミニワークショップ	
  大阪市立大学、2013年3月23日	
 16. 矢野航平：「FI-term	
 in	
 string	 theory	 revisited」	
  日露共同研究ミニワークショップ	
 大阪市立大学,	
 2013年3月25日	
 17. 大橋圭介：”	 Higher	
 Derivative	 Corrections	
 to	
 the	
 Effective	 Theory	
 of	
 an	
 Non-Abelian	 Vortex”日本物理学会2012年年次大会,	
 2012年9月11日	
 18. 大 橋 圭 介 ： ”	  Cosmic	  R-string,	
  R-tube	  and	
  Vacuum	  Instability”	
  String	  Theory	 Mini-workshop	
 at	
 NCTU	
 台湾国立交通大学,	
 2012年11月23日	
 19. 大橋圭介：「Cosmic	
 R-string	
 in	
 thermal	 history」日露共同研究ミニワークショップ,	
 大
阪科学技術センター,	 2013年3月25日	
 20. 宝利剛：「Generalised	
 Killing-Yano	
 Symmetry	
 and	
 Supergravity	
 Black	 Holes」	
 GR	
 Seminar,	
 DAMTP,	
 University	
 of	
 Cambridge,	
 UK,	
 January	
 25,	
 2013.	
 21. 宝利剛：「Generalised	
 Killing-Yano	
 Symmetry	
 and	
 Supergravity	
 Black	 Holes」	
 GR	
 Seminar,	 	 Bucharest,	
 Romania,	
 January	
 8,	
 2013.	
 その他
1. 糸山浩司：「対称性の自発的破れと素粒子物理」大阪市立大学主催市民講演会「宇宙と素粒子のなりたち」大阪中之島国際会議場（グランキューブ），2012年4月7日	
 

学位論文
修士論文
1. 矢野航平「Fayet-Iliopoulos	
 D-term	
 in	
 string	 theory:	
 on	
 T^6/Z_3	
 orientifold」	
 研究助成金取得状況
1.	
 糸山浩司:	
 日本学術振興会･基盤研究(C)･研究代表者,	
 No.23540316「ゲージ理論と紐理論に於ける可積分性の出現と素粒子物理への予言」130万円	
 

66

2.	
 糸山浩司:	
 日本学術振興会･二国間交流事業ロシアとの共同研究･代表者,「ゲージ理論と弦理論の双対性による可積分性の統合と進展」250万円	
 3.安井幸則:	
 日本学術振興会･基盤研究(C)･研究代表者,	
 No.23540317「高次元ブラックホールの対称性」78万円	
 4.安井幸則:	
 日本学術振興会･基盤研究(A)･研究分担者,	
 No.21244003「AdS/CFT対応とGIT安定性」30万円	
 海外出張および海外研修
１.	
 糸山浩司：頭脳循環を加速する若手研究者戦略的海外派遣プログラム「数理と物理の深化と展開、数学研究所を拠点とする国際ネットワークハブの形成」（本学数学研究所）により、モスクワ理論実験物理学研究所に出張。A.Mironov,	
 A.	
 Morozov及びその学生と進行
中の共同研究を継続した。（期間：2013年2月13日～2013年2月24日）	
 2. 大橋圭介：イタリアのピサ大学へ先方の研究室の教授である小西憲一教授と研究打ち合わせのための出張（期間：2013年2月27日～3月14日）	
 3. 大橋圭介：台湾国立交通大学にて開催された「String	
 Theory	
 Mini-workshop」に出席・発表及び現地の共同研究者との研究打ち合わせを行った。（期間：2012年11月20日～24日）	
 4. 安井幸則：台湾国立交通大学にて開催された「String	
 Theory	
 Mini-workshop」に出席及
び発表を行った。（期間：2012年11月20日～24日）	
 5. 樋ノ上和貴：台湾国立交通大学にて開催された「String	
 Theory	
 Mini-workshop」に出席
及び発表を行った。（期間：2012年11月20日～24日）	
 6. 宝利剛：数学研究所の推進する、頭脳循環を加速する若手研究者戦略的海外派遣プログラム「数理と物理の深化と展開、数学研究所を拠点とする国際ネットワークハブの形成」に
より英国のケンブリッジ大学応用数学理論物理学研究所へ派遣され、Gary	
 W.	
 Gibbons教
授やHarvey	
 S.	
 Reall講師及び重力理論研究グループのメンバーらとの共同研究を行った。
（期間：2012年4月16日～2013年3月11日）	
 
	
 

その他
１.	
 糸山浩司：大阪市立大学主催”Progress	
 in	
 Quantum	
 Field	 Theory	
 and	
 String	 Theory”	
 （於：学術情報センター、2012年4月3日～7日）の開催責任者を務め、成功に導いた。また
最終日夕刻には中之島大阪国際会議場(グランキューブ)最上階にて、荻尾、櫻木、山本と共に市民のための講演会を開催した。	
 2.糸山浩司：日本学術振興会･二国間交流事業ロシアとの共同研究「ゲージ理論と弦理論の双対性による可積分性の統合と進展」の一環として、2回のWORKSHOPをMOSCOW（2012年9月）、
大阪市中央区ヴィアーレ大阪及び大阪科学技術センター(2012年３月)で実施した。	
 3.糸山浩司：日本学術振興会･二国間交流事業ロシアとの共同研究「ゲージ理論と弦理論の双対性による可積分性の統合と進展」の一環として、2回の国内WORKING	  SEMINARを名古屋多元数理、大岡山東工大で実施した。	
 4.安井幸則：市大理数講座“現代物理学の歩み-相対論・量子論から超弦理論まで”大阪市立高校	
 2012年9月26日.	
 67

宇宙物理研究室
石原 秀樹 教授浜端 広充 准教授

松野 研 (数学研究所研究員)
孝森 洋介(数学研究所研究員)
木下 俊一郎(数学研究所研究員)
龍岡 聖満(D3)高田 真聡(D2)桝田 篤樹(D1)

辰巳 聡一朗(M1)中村 晴貴(M1)

研究概要＜重力理論分野＞
宇宙物理（重力）グループは，アインシュタインの一般相対性理論を基礎として， 宇宙における強い重力場を伴う物理的現象を重点的に研究している．素粒子論研究室とはコロキウ
ムを共同開催し，研究・教育も協力して行っている．また，数理物理研究室とも盛んな研究
交流がなされている．2012年度に行った研究を以下にまとめる．
1. 高次元時空
重力を含む統一理論では，高次元時空が示唆される．これを検証する鍵となるのが高次
元時空におけるブラックホールであると考えられている．今年度は以下の様な研究を行った．
(1) （龍岡，木村（京大基研），松野，石原）
5次元で電荷をもち，かつ，回転しているブラックホールを表す厳密解は，
Einstein-Maxwell系においては知られていない．余剰次元がコンパクトでひねられているような場合には，厳密解が構成できることを示した．
(2) （木村（京大基研），松野，石原）
高次元のブラックホール解はホライズンにおける計量多様体としての解析性が破れていることがある．このことを示すために，計量が連続となる座標系において議論すく定式化を試みた．
(3) （孝森，石原）
Einstein 系 の 5 次 元 真 空 解 は ， 余 剰 次 元 を 縮 減 す る こ と に よ っ て ， 4 次 元 のEinstein-Maxwell-dilaton系に帰着される．4次元のEinstein-Maxwell系の解は必ずしも5次元のEinstein系の解と対応しないが，4次元Maxwell理論の双対性を用いてあるクラスの解は5次元真空解に持ち上げることができることを示し(4) （伊形，孝森，石原）
5次元のブラックリングの周りには，光の安定な束縛軌道も存在することを明らかにした．
(5) （木下, 鈴木（京大）, 白水（京大））
高次元時空においては、同じ質量や電荷といった保存量に対して, 多種の形態のブ
ラックホールが存在しうる．1次元をコンパクト化したKaluza-Klein時空における荷電ブラックホール解を matched asymptotic expansionの手法を用いて構成した．
また，熱力学的第一法則が成り立つことを確認し， 厳密解の存在するextreme極限
へ連続的に移行することを示した．
(6) （木下, 棚橋（UC Davis）, 村田（京大基研））
D3/D7系は, AdS/CFT対応を用いてQCDを記述するホログラフィックQCDのモデルの一つである．このモデルでは, バルクのブラックホールとDブレーンの配位の違いが，有限温度でのQCDの相転移に対応する．動的なAdSブラックホール時空中でのブレーンの運動を数値計算することで，相転移の非平衡過程での振る舞いを調べた．

68

2. Kerrブラックホール中の光渦の伝播（桝田，伊形，孝森，中尾，石原）光が進行方向を軸として軌道角運動量をもつ状態である光渦が知られている．
Kerrブラックホール時空を伝播する光渦の軌道を考えると，ヌル測地線からずれることを示した．
3. ブラックホール・シャドウ（高田，伊形，石原）
ブラックホールの周りに球対称光源が連続的に分布していると仮定したとき，観測される明るさの分布の研究をした．ブラックホールの周りの光の不安定円軌道の存在により，ブラックホール・シャドウの縁はLog発散するような明るさになる．Kerrブラックホール
では，発散の係数が光の軌道の回転方向により異なるので，観測される明るさの非対称さをもたらす．これによりKerrブラックホールの回転パラメーターが決定できることを示した．

＜流体・プラズマ物理分野＞
1. HALL MHD方程式に対する非線形磁気流体波の厳密解（浜端）
理想および非理想の MHD 方程式に対する非線形磁気流体波について，これまで数多く厳密解を見いだしてきた．昨年度に引き続き HALL 効果を考慮した MHD 方程式に対する非線形磁気流体波の厳密解について研究し，2次元，並進対称および軸対称の非線形
磁気流体波のより一般的な厳密解を見いだした．また，helical 対称解についても検討中である．
また，昨年度に引き続き，自己重力のある非理想の成層流体中で，温度勾配によりつくられる対流力が存在する場合の非線形磁気流体波の厳密解についても研究し，2次元および並進対称性のある非線形磁気流体波の厳密解を見いだした.更に、より一般的な厳密解を見いだすべく研究中である.
2. Firehose不安定の非線形発展（浜端）
温度異方性のあるプラズマ中で生じるマクロな不安定である firehose 不安定の非線形発展について研究し，イオンの有限ラーマー半径効果を考慮した CGL 方程式を数値解析することにより, 不安定はカオス的になっていくことを既に明らかにしている．昨年度に引き続き、解析解がカオス解へ移行するに当たり，乱れの磁気エネルギーの空間一様性が壊れていくことに着目し，その効果を取り入れた基礎方程式系を導き，その方程式系に基づいた firehose 不安定の非線形発展の数値解析を行いつつある．更に，波動・粒子
共鳴相互作用等の運動論的効果を考慮するため，Vlasov 方程式に基づく理論解析および数値シミュレーションについても検討中である．
3. 大 振 幅 Alfvén波 の パ ラ メ ト リ ッ ク 不 安 定 （ 浜 端 ）昨年度に引き続き，Vlasov方程式に基づいた線形解析による大振幅のAlfvén波のパラメ
トリック不安定への運動論的効果についての研究を進行中である．また，大振幅Alfvén
波のスペクトルの広がりの効果についてもMHD方程式とともにVlasov方程式に基づいた研究についても取りかかりつつある．更に、不安定の非線形発展については、数値シミュレーションの手法を用いた研究も検討中である．

69

教育・研究業績
学術論文
1. Takahisa Igata, Hideki Ishihara, Yohsuke Takamori.
“Stable Bound Orbits of Massless Particles around a Black Ring”
Phys.Rev. D87 (2013) 104005
2. Ken Matsuno, Hideki Ishihara, Masashi Kimura, Takamitsu Tatsuoka“Charged rotating Kaluza-Klein multi-black holes and multi-black strings infive-dimensional Einstein-Maxwell theory”
Phys.Rev. D86 (2012) 104054
3. Takahisa Igata, Hideki Ishihara, Keisuke Nishiwaki“Stationary Closed Strings in Five-dimensional Flat Spacetime”
Phys.Rev. D86 (2012) 104020
4. Ryotaku Suzuki, Shunichiro Kinoshita, Tetsuya Shiromizu“Caged black hole with Maxwell charge”
Phys. Rev. D86 (2012) 044018
国際会議発表1. Igata Takahisa, H.Ishihara, Y.Takamori,“Stable Null Bound Orbits around a Black Ring ”,
RESCEU SYMPOSIUM ON GENERAL RELATIVITY AND GRAVITATIONThe 22th workshop on General Relativity and Gravitation in Japan (JGRG22)
The University of Tokyo November 12 - 16 2012
2. Takada, Masato“Brightness of rim of black hole shadow”
The Sixth Workshop on Black Hole Magnetospheres, 2013 March 5-7, Taiwan
3. Masuda, Atuki“Propagation of wave with orbital angular momentum in Kerr space-time”
The Sixth Workshop on Black Hole Magnetospheres, 2013 March 5-7, Taiwan
学会・研究会講演
1. 松野研，石原秀樹，木村匡志，龍岡聖満“重力インスタントン上の5次元多体ブラックホール”
日本物理学会2012年秋季大会 (京都産業大学 2012年9月11日～14日)
2. 孝森洋介，石原秀樹“4次元Melvin解から生成される正則な5次元Kaluza-Klein時空”
日本物理学会2012年秋季大会 (京都産業大学 2012年9月11日～14日)
3. 木下俊一郎, 村田佳樹, 棚橋典大
“ホログラフィックQCDにおけるDブレーンの時間発展”
日本物理学会2012年秋季大会 (京都産業大学 2012年9月11日～14日)
4. 高田真聡“ブラックホールシャドウの周縁部の明るさについて”
日本物理学会 第68回年次大会 (広島大学 2013年3月26日‐29日)
5. 桝田篤樹，石原秀樹，中尾憲一“角運動量をもった波動のカー時空での伝播”
日本物理学会 第68回年次大会 (広島大学 2013年3月26日‐29日)
6. 木下俊一郎, 棚橋典大, 村田佳樹
“ホログラフィックQCDにおける非平衡現象”
日本物理学会 第68回年次大会 (広島大学 2013年3月26日-29日)

70

7. 木村 匡志“地平面における曲率特異点の解析方法について”
第14回特異点研究会 (大阪経済法科大学 八尾駅前キャンパス 2013年1月12日－14日)
8. 高田真聡“ブラックホールシャドウの周縁部の明るさについて”
第14回特異点研究会 (大阪経済法科大学 八尾駅前キャンパス 2013年1月12日－14日)
9. 孝森 洋介
“ブラックホール時空における測地線の摂動論について”『銀河系中心ブラックホール2013』研究会 （宇宙科学研究所 2012年 11月7日- 9日）
10. 高田 真聡“ブラックホールシャドウの周縁部の明るさについて”『銀河系中心ブラックホール2013』研究会 （宇宙科学研究所 2012年 11月7日- 9日）
その他
1. 石原秀樹
全国同時七夕講演会「「アインシュタインの宇宙」（2012 年 7 月 16 日 大阪市立科学館）

海外出張および海外研修
伊形尚久
学振 「頭脳循環を加速する若手研究者戦略的海外派遣プログラム」（平成２３～２５年度）「数理と物理の深化と展開、数学研究所を拠点とする国際ネットワークハブの形成」 による
パリ宇宙素粒子研究所の博士研究員として派遣

71

原子核理論研究室
櫻木 弘之	
  教授
有馬 正樹	
  准教授
勝間 正彦	
  研究員※桑原 功	
  (M2)
松浦 司 (M2)鳥居田浩也(M1)佐々木侑	 	 (UG4)
和田真佳 (UG4)
金子祥太朗(UG4)（※数学研究所専任研究所員）

研究概要	
 
	
 
1. 量 子 化 さ れ た Skyrme 模 型 に よ る πN 散 乱 の 研 究 （ 松 浦 、 有 馬 ）	  SU(2)×SU(2) カイラル対称性にもとづくスキルム模型は低エネルギー領域でのQCDの有効模型である。これをπ中間子・核子相互作用の研究に応用するためには、古典場がソリトン解をもつことを考慮して量子化する必要がある。ソリトン解が満たす対称性に関係するゼロモードは集団座標の方法で量子化されて、核子の静的な性質を説明する。そして、ソリトン解のまわりのゆらぎを正準量子化し、生成消滅演算子を導入すると、核子のまわりに存在するπ中間子を記述することができるようになる。本研究は、このように量子化されたスキルム模型をπ中間子・核子散乱の解析に応用したものである。カイラ
ル簡約公式（Master Formula）を利用して、πN散乱のS行列を具体的に計算した。この公式は、S行列をカイラル対称性に関係する様々なカレントの組み合わせで表わすものである。そして、本研究では量子化されたスキルム模型を用いて、軸性ベクトル・カレントによる寄与を調べた。低エネルギー領域で重要な散乱過程に限定し、S行列のエネルギー依存性を具体的に計算することができた。これに似た試みは過去にも存在するが、ゼロ
モードを含めて完全に量子化したスキルム模型をπN散乱に応用したのは本研究が初めてである。
2. SU(3) ス キ ル ム 模 型 の 古 典 解 の 研 究 （ 桑 原 、 有 馬 ）	  SU(2)×SU(2) カイラル対称性をもつスキルム模型は、π中間子と核子のための有効模型として発展している。しかし、カイラル対称性は本来SU(3)×SU(3) なので、それに合わせてスキルム模型を拡張することが考えられる。そのために、中間子古典場の配位を決める必要がある。通常はπ中間子場にソリトン解を仮定し、K中間子とη中間子場を 0 とする。しかし、この配位を選ぶ理由が示されたことはない。そこで本研究では、Kとη中間子場が非自明な配位をもつ可能性について調べた。π中間子にはヘッジホッグ配位を用いた。そして、ヘッジホッグ配位がもつ対称性と矛盾しないように、K中間子の配位を工夫した。その結果、SU(3)スキルム模型の中間子場が満たす運動方程式を、動径座標の大きさだけを用いて具体的に書き下すことができた。適切な境界条件のもとで数値的に調べた結果、この配位のもとでは Kとη中間子の古典場に対して自明な解のみが存在することを確認した。そして、中間子の古典場に対する従来の考え方が正しいことを具体的に示すことができた。
3. 高 エ ネ ル ギ ー 重 イ オ ン 散 乱 に お け る 結 合 ポ テ ン シ ャ ル 虚 部 の 役 割（ 古 本 (理 研 /一 関 高 専 )、 櫻 木 ）	  核子当たりの入射エネルギーがE/A=100～400 MeVという高エネルギーでの重イオン弾性・非弾性散乱を、複素Ｇ行列CEG07に基づく微視的チャネル結合法により分析した。この微視的相互作用理論は、非弾性チャネルへの結合ポテンシャルの実部と虚部の比率がこのエネルギー領域で急激に変化することを予言しており、その結果、①弾性散乱へのチャ

72

ネル結合効果を表す動的分極ポテンシャル(dynamical polarization
potential)の性質が、急激で特徴的なエネルギー依存性を持ち、それが弾性散乱の特徴的な角度分布として現れる（図左）、② E/A=200～300 MeVという中間エネルギー領域で、非弾性散乱断面積の主要部分が結合ポテンシャ
ルの虚部によって生成されている（図右）、という、これまで低エネルギー領域（E/A<100
MeV）では見られなかった新たな反応メカニズムが現れることを見出した。これらは、このエネルギー領域での重イオンの弾性・非弾性散乱の精密な測定により、理論が予想する
結合ポテンシャルの実部・虚部のエネルギー依存性の実験的検証に極めて有効である事を示すと共に、特に、これまでその役割や起源が不明であった、結合ポテンシャルの虚部の物理的理解を進める可能性を示すものである（論文[2]）。
4. 複 素 G行 列 を 用 い た 微 視 的 CDCC法 に よ る 6Li分 解 過 程 の 研 究 （ 櫻 木 、 古 本 (理 研 /一関 高 専 )）
	  重イオンの弾性散乱・非弾性散乱の分析でその有効性が示された、複素G行列(CEG07)を用いた微視的チャネル結合法を、分解反応過程を扱う事のできるCDCC法(Continium
Discretized Coupled Channels method)に拡張した（微視的CDCC法）。その最初のテストとして、核子当たりのエネルギーがE/A=53 MeVおよび100 MeVでの6Liと種々の標的核との反応に適用し、 6Li弾性散乱おける 6Li→α+d分解反応過程の効果について分析を行った。
6
Li→α+d分解過程については、従来の現象論的相互作用に基づくCDCC計算によって、弾性散乱への分解過程効果が「斥力的」である事が指摘されていたが、それが分解過程との結合ポテンシャルの虚部と実部の比率に強く依存する為、従来の現象論的相互作用模型では結論についての確証が得られていなかった。今回の複素G行列を用いた「微視的CDCC法」による分析によって、その結論が正しい事が裏付けられた。しかし、更に高いエネル
ギー領域(E/A=100～400 MeV)では、結合ポテンシャルの性質が大きく変化する事から、分解過程の効果の斥力性・引力性の性質も、エネルギー領域によって大きく変化する可能性を示唆しており、分解過程の効果のより一般的な理解にとって、この微視的CDCC法が極めて重要な意味を持つことを示している。次年度に向けて、引き続きその分析を進めていく。
5. 比 較 的 軽 い 原 子 核 が 関 与 す る 天 体 核 反 応 （ 勝 間 ）	  近年、宇宙の起源の謎を解明する研究に関連して、我々の身近に存在する元素が如何にして生まれたかを研究する天体核部門が急速に発展している。最もよく知られたところでは、鉄からウランまでの多くの元素は超新星爆発時の高温・高密度の状況下で作られると、理解されるようになった。一方、炭素から鉄は大質量星の内部で生まれると考えられているが、基本的な原子核反応データや解析手段、核反応ネットワーク計算コードの未確立な
どから、まだまだ未知な部分は多い。炭素、酸素、ネオン、マグネシウム同位体元素合成
も実験的に調べられつつあるが、複雑な低エネルギー原子核反応のため、決定的な解を導くに至っていない。本年度は、恒星内部での元素合成反応でも重要な核反応の一つとされる12C (α,γ) 16O反応とα+12C弾性散乱の研究から、終状態の16O原子核励起状態について研究
を行った。

73

教育・研究業績	
 
	
 
学術論文	
 
1. T. Furumoto, W. Horiuchi, M. Takashina, Y. Yamamoto, and Y. Sakuragi“Global optical potential for nucleus-nucleus systems from 50 MeV/u to 400 MeV/u”
Phys. Rev. C 85, 044607 (2012) (11 pages), Erratum; ibid. 85, 069901 (2012)
2. T. Furumoto and Y. Sakuragi“Channel coupling effect and important role of imaginary part of coupling potential forhigh-energy heavy-ion scatterings”, Phys. Rev. C 87, 014618 (2013) (11 pages)
3. M. Katsuma,“High-spin resonant states in 16O”, J. Phys. G40, 025107 (2013).

国際会議会議録	
 1. T. Furumoto, Y. Sakuragi and Y. Yamamoto,“Prediction of repulsive potential for high-energy heavy-ion scatterings”
Journal of Physics: Conference Series, IOP Publishing, Volume 381 (2012) 012092 (6 pages)(Proceedings of The Rutherford Centennial Conference on Nuclear Physics, 8-12 August, 2011,
Manchester, UK),
2. T. Furumoto, Y. Sakuragi and Y. Yamamoto“Dynamical evolution of heavy-ion scattering in the high-energy region”
Prog. Theor. Phys. Suppl. (2012), No.196, (2012) pp219－224(Proceeding of Yukawa International Seminar 2011, “Frontier Issues in Physics of Exotic Nuclei”(YKIS2011), Oct.11-15, 2011, YITP, Kyoto University)
3. T. Furumoto and Y. Sakuragi“What is imaginary part of coupling potential in coupled channel calculation?”(Proceedings of the 13th INTERNATIONAL CONFERENCE ON NUCLEAR REACTIONMECHANISMS, CERN GENEVA, CERN-Proceedings-2012-002, pp73－pp78, 6 pages)

国際会議講演	
 1. T. Furumoto and Y. Sakuragi,“What is imaginary part of coupling potential in coupled channel calculation?”
The 13th International Conference on Nuclear Reaction Mechanisms, (CERN Geneva, CERN (2012))
2. T. Furumoto, Y. Sakuragi and Y. Yamamoto“Study of microscopic complex potentials for nuclear scattering reaction”,
YIPQS International Molecule on Coexistence of weak and strong binding in unstable nuclei andits dynamics, (March 4-22, 2013, Yukawa Institute for Theoretical Physics, Kyoto, Japan)
学会・研究会講演	 1. 櫻木弘之「微視的チャネル結合法の到達点と残された課題」（「理論核物理領域，実験核物理領
域合同シンポジウム ―主題：微視的核反応論の最前線－」での講演）
日本物理学会第68回年会, (2013年3月26-29日, 広島大学)
海外出張および海外研修
1. 勝間正彦：ダルムシュタット工科大学（ドイツ）, 2012年11月21日～2013年2月19日,
日本学術振興会(JSPS)・組織的な若手研究者等海外派遣プログラム「数学研究所がリードする数学・数理科学の国際的若手研究者の育成」による海外共同研究、研究課題名：「天体核反応、元素合成反応の研究」

74学位論文	
 修士論文	
 1. 松浦	
  司：「量子化された Skyrme 模型による πN 散乱」
2. 桑原	
  功：「SU(3) スキルム模型の古典解」
博士論文	
 
	
  なし

その他	
 	
 
	
 (有馬正樹)	
 
1. 「真の素粒子“クォーク”」大阪市立東高等学校SSHレクチャー（理学編）での講演（2012年7月3日）（櫻木弘之）	
 1. 理学研究科長・理学部長（2010.4.1～2013.3.31）
2. 高校化学グランドコンテスト実行委員会（委員長）
3. 大阪府立三国丘高校 SSH運営指導委員会委員
4. 理化学研究所・客員主管研究員（仁科加速器研究センター・中務原子核理論研究室）
5. 大阪大学非常勤講師（全学教育推進機構）
6. 神戸大学非常勤講師（理学部）
7. 財団法人	
  大阪科学技術センター参与
8. RIKEN RIBF Users Executive Committee (UEC) 委員(Oct.2009 – Sept.2012)	
 75